Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Речь идет о том, что работа арок предполагает не только вертикальное давление на опоры (как у балок), но и значительное горизонтальное сжимающее усилие. Это хорошо видно на рис. 21. С одной стороны, это весьма неприятное явление, поскольку оно создает ряд проблем, связанных с восприятием подобной нагрузки. Необходим или специальный фундамент, который передавал бы это усилие на грунт, или — когда геологические условия, а чаще всего вид и назначение конструкции не позволяет это сделать, — дополнительный элемент (затяжка), который связывает две пяты арки и воспринимает горизонтальную силу. В случае ферм и балок Виранделя роль затяжки выполняет нижний пояс. Однако, с другой стороны, горизонтальное сжатие является просто бесценным обстоятельством, именно оно определяет безмоментное напряженное состояние и превращает криволинейную форму арки (сама по себе криволинейность еще ничего не значит) в рациональную и эффективную конструктивную форму. Так или иначе, но горизонтальное сжатие имеет место, а его восприятие обязательно. Однако вернемся к катастрофе бельгийского моста, в конструкции которого была применена балка Виранделя.

Утром 14 марта 1938 г. внезапно рухнул стальной мост на канале Принц Альберт близ города Хасселт. Очевидцы утверждают, что слышали звук, подобный выстрелу, после чего заметили разрыв в нижнем поясе между третьей и четвертой вертикалями. Мост начал сильно провисать и приблизительно через 6 мин, развалившись на три части, упал в замерзшие воды канала. Было минус 10°С.

Мы не будем останавливаться на причинах катастрофы: низкокачественная сталь, некачественная сварка, конструктивные погрешности и т. д. Важно то, что речь идет о «хрупком» разрушении, которое у низкоуглеродистых сталей может происходить только при особых условиях, например при низких температурах. Однако гораздо интереснее механизм самого разрушения, стадии, через которые последовательно прошла конструкция, прежде, чем окончательно рухнула.

Сначала все было в порядке — транспорта на мосту не было, нагрузка только от собственной массы предполагала чистое сжатие в верхнем поясе. Конструкция работала как арка, а горизонтальное усилие воспринимал нижний пояс-затяжка. Внезапно он разорвался. Конструкция «пыталась» продолжать работать как арка, передавая горизонтальную силу на фундаменты, которые, разумеется, не были рассчитаны на такую ситуацию. В результате вершины фундаментов были срезаны ( рис. 22). Горизонтальная сила исчезла, исчез и эффект арки. С этого момента конструкция (вернее, ее верхний пояс), стала работать как свободно опертая балка (хотя и с параболическими очертаниями, что, впрочем, несущественно). Появились огромные изгибающие моменты, которые верхний пояс был не в состоянии выдержать. Балка, естественно, переломилась и рухнула в канал.

В середине 1976 г. в Японии был сдан в эксплуатацию самый большой из современных висячих мостов. После строительства моста между островами Хонсю и Кюсю, объявленного рекордсменом азиатского континента, и еще нескольких событий такого рода специалисты заговорили о висячих мостах как об одной из интереснейших областей техники, у которой едва ли не самая драматичная история.

Остановимся немного на искусственно раздуваемом межнациональном соперничестве и конъюнктурных амбициях, которые в развитых капиталистических странах часто накладывают свой отпечаток на развитие техники. Займем позицию беспристрастного наблюдателя. Однако в случае висячих мостов нам вряд ли это удастся, потому что история этой области строительства неминуемо вызовет у нас всевозможные эмоции. Несмотря на свой невероятно тонкий ажурный силуэт, они легко и естественно преодолевают огромные расстояния, как будто для них не существует законов гравитации. По эстетическому воздействию этот род мостов уникален: нет другого технического сооружения, где конструкция, демонстрируемая в столь чистом, первичном виде, вызывала бы такое впечатляющее ощущение мощи, легкости и изящества. И если мосты вообще являются наиболее ограниченной формой симбиоза техники и искусства, то висячие мосты — вершина этого симбиоза.

Висячие мосты строились еще первобытными людьми: их строят и сейчас некоторые полудикие племена, обитающие в джунглях Амазонки. В принципе это антитеза арочных конструкций. Их напряженное состояние тоже является безмоментным, но только на базе растягивающего усилия. Это предопределяет и единственно применимый для цепей и канатов материал — сталь. Равновесная форма провисшей дуги весьма изменчива, склонна к самоадаптации в условиях каждой новой конфигурации нагрузок. Арочным конструкциям такая гибкость недоступна, поэтому и их безмоментное состояние возможно только при строго определенной нагрузке. Висячие конструкции реагируют на изменение нагрузки изменением линий своих очертаний, что обеспечивает постоянное и абсолютно чистое безмоментное состояние. Но это имеет и другую сторону медали: такие вариации висячей равновесной формы связаны с деформациями путевого полотна. Поэтому висячие системы в чистом виде в мостовых конструкциях практически не встречаются. Цепи всегда сочетаются с жесткой конструкцией на уровне мостового полотна, которая воспринимает как определенные поперечные силы, так и определенные изгибающие моменты (вследствие ограничения свободных деформаций).

Материал висячей дуги, будь то лиана, веревка, цепь или стальной канат, работает в режиме постоянного растяжения. Именно по этой причине наиболее рационально используется все сечение элемента. Каждый грамм, каждый квадратный сантиметр материала может быть полностью вовлечен в работу по восприятию нагрузки и ее передаче береговым опорам. Этим обусловлена большая легкость висячих мостов, благодаря которой они (и только они) в состоянии преодолевать «за один раз», без промежуточных опор огромные расстояния. В случаях очень глубоких и очень широких препятствий, когда возведение каких бы то ни было промежуточных опор сложно, дорого, а часто и невозможно, висячий мост оказывается единственно возможным решением.

Большие или меньшие висячие мосты есть во всех странах мира. В последние годы дорожно-строительный «бум» в Японии привел к необходимости замены паромного сообщения между некоторыми островами мостовыми связями, а определенные особенности в рельефе дна обусловили неизбежность применения висячих систем. Классической страной висячих мостов, однако, считаются Соединенные Штаты. Грандиозные каньоны на крайнем западе, широкие полноводные реки и глубокие проливы Тихоокеанского побережья служат объективной предпосылкой расцвета висячих систем именно в этом районе земного шара.