Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

С юга к консольной части моста подходит виадук из десяти пролетов, примерно по 168 футов каждый, с севера – из пяти пролетов. Это был традиционный подход. Далее начались инновации. Два больших пролета длиной 1710 футов каждый по обе стороны острова Инчгарви весили около 16 000 тонн каждый. Анкерные пролеты со стороны берегов имели длину 675 футов. Консоли с центральными балками, или подвесные пролеты, собранные в единое целое, являлись гигантским шагом вперед в инженерии (рис. 10.8). Башни моста Форт-Бридж высотой 330 футов имели продольный уклон: на дне их ширина составляла 120 футов, а в верхней части – только 33 фута. Таким образом обеспечивался охват с двух сторон, своего рода «вилка», с помощью которой Фаулер рассчитывал снизить ветровые нагрузки на конструкцию. Пролеты также имели сужение в продольном направлении. Центральные пролеты – простые фермы с криволинейными верхними поясами, соединяющиеся с консолями, имели длину 350 футов и, как и весь остальной мост, были достаточно широки, чтобы нести две железнодорожные колеи. Бенджамин Бейкер (1840–1907) действовал исходя из предположения, что напряжения, вызванные ветровыми нагрузками, представляют большую опасность для моста, чем самый тяжелый поезд. Он экспериментировал с моделями, чтобы определить воздействие ветра на плоские поверхности, разной формы сечения и кубы, и установил приборы для записей ветра в Ферт-оф-Форт. Оказалось, что чаще всего ветры дули с юго-востока, а вовсе не с северного моря, как считалось. Восточные ветры давали нагрузку от 15 до 20 фунтов на квадратный дюйм, западные – до 40 фунтов, причем самое большое давление оказывалось во время штормов и сильных порывов. Для расчетов была принята величина 56 футов.

Солнце также следовало принимать в расчет. На подвижных концах подвесных пролетов ожидалось расширение 2 фута. Единственные разрывы предусматривались в этих стыках консолей с подвесными пролетами, а значит, вся конструкция будет расширяться и сжиматься вместе с консолями. Инженеры решили эту проблему с помощью шарнира на качающейся опоре. Что делать с комплексными деформациями, имеющими место, когда одна часть моста находится под воздействием прямых солнечных лучей, а другая – в тени, – совсем другой вопрос. Фаулер и Бейкер были уверены, что, если они заложат запас прочности, намного превышающий тогдашние требования, они получат самый прочный и самый большой железнодорожный мост в мире. Собственно говоря, его запас прочности достаточен и сегодня. Однако огромное количество неизвестных факторов все еще оставалось. Инженерия до сих пор в какой-то степени эмпирическая наука.

Все элементы конструкции Форт-Бриджа, работавшие на растяжение, имели форму открытой решетки. Но большие стальные колонны, работавшие на сжатие, были выполнены из цилиндрических труб диаметром 12 футов с толщиной стенок 1¼ дюйма. Бейкер лично наблюдал за работами и, судя по всему, исключил прямоугольные трубы Стефенсона и Фейрберна. В это время уже был прецедент использования эллиптических труб при строительстве моста Брюнеля в Салташе в 1859 году и цилиндрических труб – в конструкции моста Идса в 1874 году. Бейкер, как и Идс, понимал очевидный факт, что пустотелая цилиндрическая форма является самой прочной. Сталь выплавляли в сименс-мартеновской печи в Глазго и Суонси. Фаулер и Бейкер считали, что подвижная нагрузка на мост от колесных транспортных средств будет составлять 5 процентов от полного веса конструкции каждого из длинных пролетов, или около 800 тонн. Чтобы предотвратить наклон, если два поезда окажутся на одном пролете одновременно, а на следующем поездов не будет вообще, они утяжелили фиксированные концы консолей, ближайшие к берегам, противовесами, равными максимальному весу поезда плюс половина веса подвесного пролета.

Дно реки, состоящее из базальта и твердой моренной глины, так же плохо поддающейся обработке, являлось идеальным для фундамента тяжелой конструкции. Со стороны графства Файф опоры можно было строить с использованием коффердамов, с которыми у инженеров уже почти не было трудностей. На острове Инчгарви и южном берегу глубины были настолько велики, что потребовались пневматические кессоны, как в Сент-Луисе и Бруклине. Вместо прямоугольных деревянных ящиков Идса и Рёблинга инженеры Форта использовали для кессонов металлические цилиндры. При этом они принимали во внимание, что Вашингтон Рёблинг столкнулся с большими трудностями из-за огня в кессоне на бруклинском берегу и что цилиндрические кессоны эффективнее при сжатии, чем кессоны любой другой формы.

Когда ныряльщики выровняли дно, кессоны были благополучно опущены в воду. Самый глубокий оказался на 89 футов ниже уровня высокой воды. Их двойные стенки были заполнены бетоном, чтобы придать больший вес конструкции и увеличить ее сопротивление давлению воды. Донные илистые отложения «разбавлялись» водой, выводились по одной трубе в воздушную камеру, а оттуда по другой трубе наружу с помощью сжатого воздуха. После установки на место кессон полностью заполнялся бетоном. Давление в воздушных камерах поднималось и опускалось, чтобы уравновесить вес воды во время приливов и отливов. Однако ни при каких условиях людей не заставляли работать при давлении более чем на 35 фунтов на квадратный дюйм выше атмосферного. Имелись случаи болезней, но смертей не было, возможно, потому, что глубины были не так велики, как, например, в Сент-Луисе. Хотя, возможно, доктора учли опыт Идса и Рёблингов и лучше заботились о людях. У рабочих Форта появилось большое преимущество в сравнении с землекопами-кессонщиками Миссисипи и Ист-Ривер. Теперь в воздушных камерах устанавливали светильники с лампами накаливания. Даже у ныряльщиков теперь было водонепроницаемое осветительное оборудование. А в магазинах появились лампы силой света 1500–2000 свечей. Компания-строитель установила паровые машины и генераторы для производства собственного электричества.

Рабочие в основном были выходцами из соседних шотландских деревень и городов, хотя некоторых привозили из Бельгии и Франции. Проблемы размещения и транспортировки рабочих были такими же, как везде. Организовывались специальные поезда и пароходы, чтобы привозить их из дома и отвозить обратно. Всего на строительстве этого моста использовалось около 3500 человек, на острове Инчгарви одновременно работало 900 человек.

Когда строительство завершилось – это было в 1890 году, – Джон Фаулер принялся всячески превозносить успехи, которые были достигнуты в сравнении с мостом «Британия», построенным на сорок лет раньше. Благодаря достижениям Бессемера, Сименса, Томаса и других изобретателей сталь теперь стоила меньше железа. Фаулер заявил, что, если бы Форт-Бридж строился из железа, он весил бы и стоил вдвое больше. Плиты моста «Британия» имели размеры 12 на 2 фута, Форт-Бриджа – 30 на 5 футов. Фаулер процитировал инженера трубчатого моста через Менай, который подсчитал, что с использованием железа мост 1850 года с пролетом 1710 футов мог быть построен, но на него нельзя было бы даже дышать, не то что нагружать. Фаулер добавил: «Каждый пролет Форт-Бриджа имел длину 1710 футов. Во время испытаний на него поместили нагрузку 1830 тонн. Но нагрузка могла быть и вдвое выше – 4000 тонн – без какого-либо ущерба для конструкции».