ду – на строительство у него было всего 11 месяцев!
Кнорре предложил сооружать на берегу реки огромные фермы в летние месяцы, а зимой надвигать их на опоры. С помощью специальных деревянных кранов, которые называются козловы´е (из-за сходства с кóзлами, на которых пилят брёвна), на каждом берегу были построены три фермы длиной 145 метров (это примерно полтора футбольных поля). Высота ферм составляла 21 метр, что соответствовало семиэтажному дому.
Когда наступила зима и Енисей покрылся прочной коркой льда, между опорами построили деревянные подмости, на которые установили стальные катки, и переместили фермы на нужное место. Надвижка всех шести пролётов отняла чуть больше месяца.
Что такое кессон?
Строительство моста начинается с возведения опор. Делать это летом было невозможно из-за быстрого течения Енисея. Строителям вновь ничего не оставалось, кроме как вести работы зимой.
Кнорре сумел превратить эту проблему в преимущество. Чтобы добраться до дна реки, строители сделали в толстом слое льда прорубь, оставив над водой тонкую ледяную корку. Через несколько дней лёд нарастал – и операцию повторяли. Так внутри реки постепенно возникала сухая ледяная шахта глубиной около 20 метров.
Внутри такой ледяной шахты можно было легко построить кессон. В переводе с французского этот термин означает «ящик». Он и вправду похож на перевёрнутый деревянный или металлический ящик, который опускают на дно и наполняют воздухом, чтобы вытеснить воду.
Кессоны обычно делались из железа. Однако доставка железа на Енисей шла очень долго, чем замедляла строительство. Тогда инженер Кнорре предложил строить кессоны из дерева. Это не только ускорило строительство, но и позволило отлично сэкономить.
Как работает кессон?
Давайте проведём эксперимент. Возьмём пластиковый стаканчик, проделаем отверстие в его дне, вставим туда трубочку для сока и замажем шов пластилином, чтобы через него не проникла вода. Опустим стаканчик в банку с водой трубочкой вверх. Вода вытеснит воздух и заполнит стакан. Однако, если мы подуем в трубочку, воздух вытеснит воду из стакана.
Точно так же насосы создают внутри кессона высокое давление, которое вытесняет воду из кессона и прилегающего к нему грунта. Под его защитой рабочие вычерпывают грунт и подают его наверх. Таким образом удаётся построить фундаменты для мостовых опор на дне реки.
Однако резкие перепады давления опасны для здоровья и могут вызывать кессонную болезнь – ей подвержены, например, аквалангисты, которые слишком быстро поднимаются с глубины. Первоначально ею страдали рабочие, которые резко выходили из кессона, поэтому болезнь и получила такое название. В связи с этим над кессоном стали строить специальное сооружение – шлюз, в котором давление плавно повышается или понижается, позволяя организму человека спокойно адаптироваться.
Опоры моста строились из кирпича на цементном растворе. В холодную погоду вода в растворе замерзала и кладка могла рассыпаться. Поэтому над строящимися опорами возводили отапливаемые павильоны – тепляки.
Консольные мосты
Строить опоры в воде – очень сложная задача. Да и судоходство они затрудняют. Поэтому инженеры постоянно ищут способы увеличить пролёт моста.
Один из них – использование консоли. Так называют балку, закреплённую с одной стороны и свободно висящую с другой. Что, если поставить балку на опору посередине её длины, чтобы её половинки образовали консоли? Две консоли можно будет расположить с зазором, в котором можно подвесить балку. Общий пролёт двух консолей и балки получится довольно внушительным.
Хотя сегодня консольные мосты используются редко, в XIX веке они стали прорывом и позволили значительно увеличить длину пролёта. В 1890 году в Шотландии был построен консольный мост Форт-Бридж с рекордным пролётом – 520 метров.
Квебекский мост
Самым большепролётным консольным мостом в мире является Квебекский мост в Канаде, завершённый в 1919 году. Река Святого Лаврентия, через которую он перекинут, имеет большую глубину, поэтому строить опоры посредине русла было сложно. Тогда решено было поставить их ближе к берегам, благодаря чему пролёт моста должен был составить 549 метров. Инженер Ральф Моджески предложил использовать консольную конструкцию.
Детали моста были такими громоздкими, что для их изготовления был построен специальный завод возле Монреаля. Консольные фермы моста – одни из самых больших в мире. Их высота составляет 95 метров, что примерно равно высоте 30-этажного дома. Представьте себе, каким крошечным кажется поезд, проезжающий по такому мосту! С завода детали сплавляли на баржах вниз по реке, до Квебека. Подвесной пролёт был собран в стороне, ближе к берегу. Затем его доставили на место установки на барже и подняли с помощью кранов.
Висячие мосты
Вернёмся в далекие доисторические времена. Древний человек, живущий в джунглях, мог наблюдать за животными, которые пересекали реки по повисшим над ними лианам. Со временем он сам начал строить мосты из сплетённых лиан. Судя по всему, уже в древности такие конструкции появились в Юго-Восточной Азии, Центральной и Южной Америке.
В середине XVI века испанский священник и историк Педро Сьеса де Леон восхищался сплетёнными из лиан мостами инков. Он писал, что «они настолько крепкие, что по ним могут пройти спущенные с поводов лошади, как если бы они шли по мосту Алькантары или Кордовы».
Давайте проведём эксперимент. Возьмём линейку и сожмём её – она немедленно выгнется. Теперь потянем линейку за концы – разорвать её мы не сможем. С инженерной точки зрения линейка способна выдерживать большое растягивающее усилие без потери устойчивости. Это свойство многих материалов и используется в строительстве висячих мостов.
Идея использовать для висячих мостов железо возникла ещё в Средние века. В начале XV века тибетский монах, учёный и инженер Тангтонг Гьялпо строил пешеходные висячие мосты с железными несущими цепями. Пролёт самого большого из них, моста Чакзам, составлял 140 метров.
Однако только с началом научно-технической революции, когда человечество научилось производить металлические конструкции, удалось построить крупные висячие мосты. Первый из них был построен судьёй и инженером Джоном Финли через реку Джейкобс-Крик в штате Пенсильвания в США в 1801 году. Его пролёт составлял 21 метр, а несущей конструкцией были цепи из сравнительно хрупкого чугуна.
Висячие мосты совершили революцию в мостостроении. Уже в 1826 году Томас Телфорд завершил строительство Менайского моста в Великобритании с самым большим в мире пролётом в 176 метров. Когда вместо массивных чугунных цепей в качестве несущей конструкции научились использовать стальные тросы, пролёты стали расти ещё стремительнее. В 1883 году инженер Джон Рёблинг завершил строительство Бруклинского моста в Нью-Йорке с рекордным пролётом 486 метров. А мост Джорджа Вашингтона в Нью-Йорке, завершённый в 1931 году, впервые в мире преодолел отметку в километр – его пролёт составил 1067 метров.
Мост золотые ворота
Пролив Золотые Ворота отделяет город Сан-Франциско от округа Марин. Паромная переправа работала здесь десятилетиями, но в 1920-е годы перестала справляться с количеством пассажиров. Надо было строить мост.
Однако всё было не так просто. Пролив имеет ширину более двух километров, глубина его достигает 113 метров. Его дно резко понижается со стороны округа Марин, что требовало строить опору у самого берега. Другую опору, со стороны города, можно было построить в воде, на глубине около 30 метров. Перед инженерами встала задача создать самый большой в мире пролёт в 1280 метров.
На этом трудности не закончились. Военные поставили перед инженерами дополнительную задачу – обеспечить свободный проход кораблей под мостом. Для этого так называемую ферму жёсткости, на которой лежит дорожное полотно, надо было расположить на высоте 67 метров над водой. Для того чтобы тросы правильно работали, они должны провисать по определённой линии. С учетом всех этих требований высота башен-пилонов, которые держали тросы, должна была составить рекордные 227 метров.
Прибавьте к этим сложностям стремительное течение, резкие приливы, сильный ветер и частый смог – и вы поймёте, что мост Золотые Ворота стал одним из самых сложных инженерных сооружений в истории. Тем не менее инженеры Джозеф Штраусс, Лев Моисеев и Чарльз Эллис справились с этой задачей всего за пять лет. Давайте проследим за ними шаг за шагом.
Как строили опоры?
Со стороны Сан-Франциско опора расположена в 340 метрах от берега. Инженерам предстояло построить конструкцию высотой 43 метра и площадью почти с футбольное поле посреди залива с быстрым течением и активным судоходством.
Для защиты от течения и кораблей вокруг будущей опоры возвели дамбу из железобетона в форме овала. Инженеры называют такую конструкцию «кранец», а рабочие прозвали просто «ванной».
Фундамент под опору строили с помощью кессона (см. главу «Что такое кессон?»). Его заранее собрали на берегу, затем переместили внутрь кранца и затопили. Фундамент вместе с кранцем образовал герметичный железобетонный «стакан». Воду из него откачали и продолжили бетонировать опору в сухих условиях.
Со стороны округа Марин всё было проще, поскольку опора стояла практически у берега. Вокруг будущей опоры возвели земляную дамбу, а по её периметру забили шпунт – металлические стержни, которые не дают просачиваться воде. Внутри дамбы откачали воду, вынули грунт и построили железобетонную опору.
Как строили пилоны?
Каждый из двух пилонов моста имеет высоту 227 метров (примерно как дом в 80 этажей). Как при этом обеспечить жёсткость конструкции? В XIX веке пилоны висячих мостов строили из камня или кирпича. С начала XX века их начали сооружать в виде стальных ферм. Для пилонов моста Золотые Ворота решили использовать особую