Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

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 в мостах того времени, состояли из пластин, или звеньев, соединенных между собой болтами подобно цепям современных велосипедов. Концентрация напряжений в местах соединений требовала применения такого вязкого и пластичного материала, каким было кованое железо. Цепи получались весьма надежными, и какие-либо неприятности почти не возникали. Хотя кованое железо может работать на растяжение, его прочность не особенно велика, поэтому Телфорд предусмотрительно допускал наибольшее номинальное напряжение в цепях на уровне около 55 МН/м 2(5 кгс/мм 2, что составляет менее 1/2 от предела прочности. В этих условиях большая часть прочности цепей предназначалась для того, чтобы выдерживать их собственный вес, и Телфорд считал, что мост через Менай имеет максимально возможную для подвесного моста длину пролета (для материалов того времени). Хотя Брюнель в свое время показал, что Телфорд был слишком осторожен (Клифтонский мост Брюнеля имел пролет 190 м), все же в течение многих лет пролет моста через 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 мостов стали возможны в результате появления высокопрочной стальной проволоки. Высокопрочная сталь гораздо прочнее кованого железа или мягкой стали, и поэтому она может выдержать собственный вес при гораздо большей длине канатов. Правда, она более хрупка, чем кованое железо, но это не страшно, поскольку канат сплошной и не имеет отдельных звеньев с болтовыми соединениями, которые особенно уязвимы для трещин. Кроме того, в отличие от цепного каната, в котором работают в параллель три или четыре звена, проволочный канат состоит из многих сотен отдельных нитей, так что разрыв одной из них совершенно не опасен (рис. 86).

Рис. 86. Подвесной мост через Северн.

Примером того, что можно делать в наши дни, служит мост через Хамбер на новой автомагистрали, длина пролета которого 1388 м, то есть в 8 раз превышает длину, которую Телфорд считал предельной. Это оказалось возможным благодаря канатам в подвеске, которые работают (и вполне надежно) при напряжениях около 600 МН/м 2(60 кгс/мм 2), более чем в 10 раз превышающих напряжения в кованых цепях Телфорда.

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 нагрузив его модель, как это делал Телфорд, либо без особых затруднений построив на листе ватмана так называемый "веревочный многоугольник". Его используют как при проектировании подвесных мостов, например в случае, когда нам нужно знать точную длину подвесок для проезжей части, так и при проектировании арок.

Не требуется большого воображения для того, чтобы, посмотрев на подвесной мост и на арку, понять, что подвесной мост - это перевернутая вверх ногами арка, и наоборот. Другими словами, если мы изменим знак всех напряжений в арке, то есть заменим сжатие на растяжение, то все эти натяжения могут быть выдержаны одним искривленным канатом, форму которого можно считать "линией давления" при растяжении. Сделав так, мы довольно легко находим линию давления при сжатии, например для арочных мостов и куполообразных крыш.

Форма линии давления может слегка изменяться в зависимости от особенностей нагружения, например от присутствия транспорта на мосту. Проектируемая арка будет безопасна в тех и только в тех случаях, когда все возможные линии давления целиком лежат в пределах конструкции арки. Иногда даже люди со специальным образованием считают, что получаемые таким образом линии давления имеют форму цепной линии, и поэтому форма круглой арки является "неправильной". Конечно же, это не всегда верно, и в большинстве случаев линия давления довольно близка к дуге окружности - в оправдание древних римлян, имевших обыкновение строить вполне надежные полукруглые арки. Однако если мы захотим сделать очень тонкую арку - такие арки обычны для современных железобетонных мостов, - то лучше прибегнуть к точному расчету ее формы, ибо здесь свободное пространство для линии давления весьма мало.

Хотя подвесные мосты взяли блестящий старт в начале XIX в., их распространение было прервано на сотню лет появлением железных дорог. Большинство из 25 тыс. мостов, построенных в викторианской Англии, были железнодорожными. Подвесной мост - слишком гибкая конструкция, и под действием больших сосредоточенных нагрузок он может опасно деформироваться. Эта особенность подвесных мостов не очень существенна для шоссейных дорог [73] Все мосты Телфорда были предназначены для нерельсовых дорог или каналов. Особенно американцы широко применяли висячие мосты в качестве акведуков для каналов. Вода канала текла в подвешенном деревянном лотке; естественно, когда баржа проходила через мост, полная нагрузка не менялась, а поэтому не менялся и прогиб моста. , но железнодорожный состав по меньшей мере раз в сто тяжелее телеги или грузовика, поэтому он вызывает в сто раз больший прогиб, что, конечно, совершенно не допустимо.

Те несколько подвесных железнодорожных мостов, которые были построены в Англии, оказались явно неудачными. Американцы, у которых реки были шире, денег меньше, а веры в успех больше, некоторое время упорствовали, но в конце концов и они были вынуждены от них отказаться.

Следовательно, требовались не только легкие и дешевые, но и достаточно жесткие мосты, к тому же с большими пролетами. Это привело к разработке мостовой фермы с верхним криволинейным поясом, или стянутой арки (рис. 87).

Рис. 87. Мостовая ферма с верхним криволинейным поясом, или "стянутая арка".

Арка, конечно, обладает значительной жесткостью, но ее давление на опоры оказывается весьма большим. Это не столь существенно, когда опоры представляют собой прочные скальные породы, но в железнододорожном строительстве в большинстве случаев таких условий нет. Особенно сложно установить арку или серию арок на высоких и тонких опорах, они могут оказаться совершенно не способными выдерживать большие боковые нагрузки. Но от инженеров викторианского времени порой требовалось именно это: они смело прокладывали железнодорожные пути через глубокие долины, порой на высоте более 30 м. Один из способов решения проблемы состоит в том, чтобы чем-то стянуть концы арки. Оказалось, это можно сделать с помощью самого подвешенного железнодорожного полотна, которому здесь приходится работать, обеспечивая свою же собственную безопасность: полотно будет находиться в состоянии растяжения.