Веками арочные мосты строили из камня или кирпича, реже из дерева. Но промышленная революция, начавшаяся в Западной Европе в XVIII веке, привнесла в строительство новые материалы – чугун и сталь.
Английский город Колбрукдейл в конце XVIII века стал крупным центром угольной промышленности. Однако места добычи полезного ископаемого находились на одном берегу реки Северн, а жители – на другом. Нужен был мост. Поначалу строители собирались сооружать его по классической технологии, из камня. Однако местному металлургу Абрахаму Дарби III пришла в голову оригинальная мысль: раз уж Колбрукдейл специализируется на выплавке чугуна и он тут дёшев, значит, и мост надо строить из этого материала!
Так в 1781 году появился Айронбридж (что в переводе с английского и означает «чугунный мост»). Пролёт его составлял всего 30,5 метра. Тем не менее этот мост произвёл настоящую революцию в мире инженерии: после его постройки чугун и железо стали всё чаще использоваться в строительстве мостов, зданий и башен. В 1796 году в английском городе Сандерленд из чугуна был построен Вермутский мост, который установил мировой рекорд длины пролёта – 72 метра.
XIX век стал эпохой чугуна и железа. Новые материалы предоставили возможность строить ферменные, консольные, висячие и вантовые мосты, о которых мы поговорим в следующих главах.
Как строился мост
1. Каждая из 482 деталей моста изготавливалась на заводе в полукилометре от стройплощадки. Сперва делали полноразмерную модель детали из дерева.
2. Эта модель «вдавливалась» в смесь глины и песка, создавая контрформу, в которую затем заливали расплавленный чугун. После его застывания деталь была готова. Такой способ производства называется литьём.
3. Готовые детали доставлялись на место строительство на баржах. Строители соединяли детали между собой не болтами или сваркой, а традиционным способом из деревянного строительства: концы деталей вставлялись в пазы и фиксировались с помощью чугунных клиньев.
Фермы
Римские инженеры разрабатывали не только арочные, но и балочные конструкции. Они обнаружили, что можно уменьшить изгиб балки, если расположить под ней другие балки вертикально или по диагонали. Такая конструкция обладала большой жёсткостью и получила название ферма (от латинского «firmus» – жёсткий). В основном римляне использовали фермы для строительства перекрытий, но порой создавали с их помощью и мосты. Например, мост Траяна через Дунай состоял из арочных деревянных ферм пролётом 35 метров.
В эпоху Возрождения фермы вновь стали популярны. В XVI веке знаменитый итальянский архитектор Андреа Палладио разработал основные типы балочных и арочных ферм, которые используются до сих пор. Один из построенных им ферменных мостов сохранился в итальянском городе Бассано-дель-Граппа.
Однако подлинное возрождение ферменных конструкций произошло в XIX веке. В это время началось активное строительство железных дорог, для которых требовались длинные и прочные мосты. Поначалу их строили из камня в виде арок, но это было дорого и долго. И тогда инженеры обратились к фермам.
Как работает ферма?
Проведём эксперимент. Соединим две длинные планки конструктора в одну более длинную. В месте соединения наша балка сейчас легко изгибается. Теперь разберём этот узел и прикрепим к нему третью планку, но покороче, чтобы получилась своего рода буква Т с короткой ножкой и длинной перекладиной.
К одному концу перекладины привяжем верёвку или нитку, пропустим её через конец ножки и закрепим на другом конце перекладины. У нас должна получиться конструкция, чем-то похожая на лук со стрелой.
Теперь изогнуть перекладину в направлении ножки не получится. В нашей простой ферме изгибающее усилие в перекладине, которая называется поясом, превращается в усилие сжатия в ножке (она называется стойкой). В свою очередь, стойка оказывает растягивающее усилие на верёвку (она называется затяжкой).
Ферма – это конструкция, во всех элементах которой возникают только усилия растяжения и сжатия. Из главы про балки мы узнали, что изгиб не позволяет увеличить пролет. Если же мы избежим изгиба, превратив его в растяжение и сжатие, то сможем спокойно построить балочные мосты большого пролёта.
Верéбьинский мост
Первой в России железной дорогой стала Царскосельская дорога, которая открылась в 1837 году. В 1841 году началось проектирование Петербурго-Московской железной дороги протяжённостью 645 километров. На этой дороге было построено 8 больших и 182 малых и средних моста. Для них понадобились фермы.
Главным консультантом на стройке был американский инженер Джордж Уистлер. Он предложил строить мосты с помощью ферм системы инженера Гау. В них использовались деревянные пояса и подкосы, а затяжки делались из железа. При этом толщина подкосов и затяжек была одинаковой.
Молодой русский инженер Дмитрий Журавский обратил внимание, что нагрузка на затяжки и подкосы возрастает ближе к опорам, и предложил делать элементы фермы разной толщины в зависимости от их расположения. Существует красивая легенда о том, как Журавский наглядно доказал верность своих расчётов. Он сделал деревянную модель моста, а в качестве металлических затяжек использовал струны. Затем он нагрузил модель и провёл по струнам смычком. Разные струны издавали звуки разной высоты, что доказывало их неравномерное натяжение.
По проекту Журавского был построен Веребьинский мост через реку Веребья в Новгородской области, один из крупнейших мостов Петербурго-Московской железной дороги. Он состоял из семи каменных арочных пролётов и девяти пролётов по 50 метров, перекрытых фермами Гау – Журавского. Опоры моста были деревянными, на каменном основании. Расстояние от воды до низа моста составляло 53 метра, что равносильно высоте 16-этажного дома. Представьте, сколько камня понадобилось бы для строительства арочного каменного моста такой высоты!
Мост британия
В то время как в России или США ферменные мосты строили из доступного дерева, в Англии делали ставку на железо. В 1850 году британский инженер, строитель паровозов и железных дорог Роберт Стефенсон возвёл мост Британия через Менайский пролив.
Обычные балки, даже в виде фермы, при небольшой высоте сечения были недостаточно жёсткими и прочными на изгиб. Из-за этого на железнодорожных мостах часто случались аварии и катастрофы с человеческими жертвами. Как в таком случае можно обеспечить бóльшую прочность?
Проведём эксперимент. Возьмём деревянную или пластиковую линейку и расположим её между двумя опорами, например книгами. Когда мы нажимаем на линейку, она легко гнётся. Однако, если мы поставим линейку на ребро, согнуть её не удастся. Получается, чем больше высота сечения балки, тем она прочнее на изгиб.
Стефенсон учёл это и запроектировал пролёты моста в виде прямоугольных чугунных труб длиной 140 метров и высотой 9 метров. Такая конструкция называется коробчатой фермой. Поезд при этом шёл прямо внутри трубы!
Как строился мост?
Стефенсон не только придумал хитроумную конструкцию моста, но и разработал новаторский способ установки ферм.
1. Пролёты моста строили на берегу. Это было удобнее, чем вести строительство на большой высоте над водой.
2. Затем собранные пролёты закатывали на баржи и доставляли на нужное место.
3. Для установки ферм использовались специально сделанные в опорах пазы. В них устанавливали домкраты (специальные устройства для подъёма тяжестей), с помощью которых фермы поднимали на нужную высоту и закрепляли на месте.
Виадук гараби
Помимо балочных, существуют и арочные фермы. В 1884 году французский инженер Гюстав Эйфель (чуть позже он прославится на весь мир своей работой над Эйфелевой башней) построил на юге Франции железнодорожный мост Гараби через реку Трюйер.
Река эта не широка, но протекает в глубоком ущелье. Естественно, железная дорога не могла спускаться к ущелью, а должна была идти почти прямо, с небольшими уклонами. По этой причине пришлось соорудить мост длиной более полукилометра и рекордной высотой 124 метра над водой (примерно как 40-этажный дом). Кроме того, в ущелье часто дули сильные ветры, поэтому конструкцию надо было сделать устойчивой к ветровой нагрузке.
Эйфель предложил проект моста в виде стальной арочной фермы, через которую мог свободно проходить ветер. Арка имела рекордный для того времени пролёт 165 метров.
Как строился мост?
Как построить самую большую арку в мире на самой большой высоте? Обычно арки строили с помощью лесов-кружал (см. главу «Акведук Пон-дю-Гар»). Но строить леса высотой в 40 этажей – крайне непрактично!
Эйфель придумал оригинальный способ решить эту проблему – он сделал арку навесной. Она строилась с обеих сторон одновременно, без лесов. Готовые части арки поддерживались тросами, закреплёнными на двух ближайших опорах моста.
Мост через енисей
Самой длинной железной дорогой в мире до сих пор является Транссибирская магистраль в России. Она была построена более ста лет назад, на рубеже XIX и XX веков. Её протяжённость от Москвы до Владивостока составляет 9288 километров. Строительство этой дороги велось в тяжёлых условиях, потому что строителям приходилось преодолевать густые леса тайги и великие сибирские реки.
В 1896 году инженер Евгений Кнорре приступил к строительству моста через Енисей близ Красноярска по проекту инженера Лавра Проскурякова. Река была известна очень быстрым течением, регулярными паводками, а дно её состояло из гальки, что не позволяло якорям закрепиться в нём. Поэтому, строить мост летом не представлялось возможным. Работать можно было только с декабря до середины марта, пока лёд был крепок. Кнорре должен был закончить мост в 1899 го