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

Хотя эксплуатация каменной кладки не требует больших затрат, ее первоначальнаястоимость всегда велика, особенно при постройке больших мостов, которыетребуют сложной опалубки. Поэтому мостостроители издревле стремились создатьчто-то более легкое и дешевое. В отсталых странах были весьма распространеныподвесные мосты самых разных типов, обычно построенные с помощью веревокили других видов растительных волокон. Подвесные канатные мосты использовалисьтакже для военных переправ, особенно саперами Веллингтона во время войныв Испании.

Однако только новые веревки прочны и надежно выдерживают растягивающиеусилия, канаты из растительных волокон чрезвычайно быстро портятся на открытомвоздухе и теряют свою надежность (как могли убедиться в этом некоторыеперсонажи романа Торнтона Уайлдера "Мост короля Людовика Святого"). Длястроительства подвесных мостов необходимы стальные или железные канаты.Чугун слишком хрупок, сталь до относительно недавнего времени была слишкомдорога, 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 в1741 г., однако кованое железо было тогда слишком дорого для широкогоприменения в строительстве мостов. После того как в конце XVIII в. былизобретен процесс пудлингования [71], кованые железные цепистали 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 подвешиваетсяпроезжая 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 дешевымиковаными железными цепями сделала подвесные мосты весьма удобными дляпереброски колесного транспорта через широкие реки. В большинстве случаев этимосты были гораздо дешевле и практичнее, больших каменных мостов. Идеюподхватили быстро во многих странах. В Англии Томас Телфорд построил подвесноймост [72]через пролив Менай (1825 г.). Его центральный пролет длиной в 166 м долгоевремя 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 вмостах того времени, состояли из пластин, или звеньев, соединенных междусобой болтами подобно цепям современных велосипедов. Концентрация напряженийв местах соединений требовала применения такого вязкого и пластичного материала,каким было кованое железо. Цепи получались весьма надежными, и какие-либонеприятности почти не возникали. Хотя кованое железо может работать нарастяжение, его прочность не особенно велика, поэтому Телфорд предусмотрительнодопускал наибольшее номинальное напряжение в цепях на уровне около 55 МН/м²(5 кгс/мм², что составляет менее 1/2 от предела прочности. В этих условияхбольшая часть прочности цепей предназначалась для того, чтобы выдерживатьих собственный вес, и Телфорд считал, что мост через Менай имеет максимальновозможную для подвесного моста длину пролета (для материалов того времени).Хотя Брюнель в свое время показал, что Телфорд был слишком осторожен (Клифтонскиймост Брюнеля имел пролет 190 м), все же в течение многих лет пролет мостачерез 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 мостовстали возможны в результате появления высокопрочной стальной проволоки.Высокопрочная сталь гораздо прочнее кованого железа или мягкой стали, ипоэтому она может выдержать собственный вес при гораздо большей длине канатов.Правда, она более хрупка, чем кованое железо, но это не страшно, посколькуканат сплошной и не имеет отдельных звеньев с болтовыми соединениями, которыеособенно уязвимы для трещин. Кроме того, в отличие от цепного каната, вкотором работают в параллель три или четыре звена, проволочный канат состоитиз многих сотен отдельных нитей, так что разрыв одной из них совершенноне опасен (рис. 86).

Рис. 86. Подвесной мост через Северн.

Примером того, что можно делать в наши дни, служит мост через Хамберна новой автомагистрали, длина пролета которого 1388 м, то есть в 8 разпревышает длину, которую Телфорд считал предельной. Это оказалось возможнымблагодаря канатам в подвеске, которые работают (и вполне надежно) при напряженияхоколо 600 МН/м² (60 кгс/мм²), более чем в 10 раз превышающих напряженияв 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 нагрузивего модель, как это делал Телфорд, либо без особых затруднений построивна листе ватмана так называемый "веревочный многоугольник". Его используюткак при проектировании подвесных мостов, например в случае, когда нам нужнознать точную длину подвесок для проезжей части, так и при проектированииарок.

Не требуется большого воображения для того, чтобы, посмотрев на подвесноймост и на арку, понять, что подвесной мост - это перевернутая вверх ногамиарка, и наоборот. Другими словами, если мы изменим знак всех напряженийв арке, то есть заменим сжатие на растяжение, то все эти натяжения могутбыть выдержаны одним искривленным канатом, форму которого можно считать"линией давления" при растяжении. Сделав так, мы довольно легко находимлинию давления при сжатии, например для арочных мостов и куполообразныхкрыш.

Форма линии давления может слегка изменяться в зависимости от особенностейнагружения, например от присутствия транспорта на мосту. Проектируемаяарка будет безопасна в тех и только в тех случаях, когда все возможныелинии давления целиком лежат в пределах конструкции арки. Иногда даже людисо специальным образованием считают, что получаемые таким образом линиидавления имеют форму цепной линии, и поэтому форма круглой арки является"неправильной". Конечно же, это не всегда верно, и в большинстве случаевлиния давления довольно близка к дуге окружности - в оправдание древнихримлян, имевших обыкновение строить вполне надежные полукруглые арки. Однакоесли мы захотим сделать очень тонкую арку - такие арки обычны для современныхжелезобетонных 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 распространениебыло прервано на сотню лет появлением железных дорог. Большинство из 25 тыс.мостов, построенных в викторианской Англии, были железнодорожными. Подвесноймост - слишком гибкая конструкция, и под действием больших сосредоточенныхнагрузок он может опасно деформироваться. Эта особенность подвесных мостов неочень существенна для шоссейных дорог [73], ножелезнодорожный состав по меньшей мере раз в сто тяжелее телеги или грузовика,поэтому он вызывает в сто раз больший прогиб, что, конечно, совершенно недопустимо.