Мосты

Чем лучше мосты из железа?

Американский конструктор мостов Вашингтон Роблинг в результате кессонной болезни был парализован, однако продолжал руководить строительством Бруклинского моста в Нью-Йорке, сидя в инвалидной коляске и наблюдая за работами в подзорную трубу

Арочный мост из естественного камня мог столетиями выдерживать тяжесть людей и лошадей, экипажей и телег. Но когда новое средство сообщения — железная дорога — начало завоевывать мир, сразу же выяснилась ограниченность прежней мостостроительной техники. Вес поездов, скорость, да и сами трассы стали причиной совершенно непривычных требований, выдвигаемых при строительстве новых железных дорог. Проезжие дороги, пролегающие по холмистому ландшафту, извивались, сбегая с гор в долины, пересекали по сравнительно небольшим мостам реки и вновь петляли по склонам, чтобы преодолеть следующую возвышенность. На рельсовой трассе, напротив, не должно быть ни больших подъемов, ни крутых спусков. Поэтому железнодорожное полотно вспарывает ландшафт, буравит туннелями горы и пересекает долины по высоким виадукам. Для каждого ручья, каждой поперечной дороги, каждого оврага нужен мост; а поскольку их требуется так много, они должны быть недорогими и выдерживать супертяжелые грузы. Сначала думали строить железнодорожные мосты из того же материала, который шел на рельсы и локомотивы. Но во время первого расцвета железнодорожного строительства, около 1850 г., высококачественная сталь была еще вещью редкой и дорогой. Потому поначалу большинство европейских стран и США предпочитали использовать дерево или камень. Исключение составляла Англия, в те времена самый крупный в мире производитель железа.

В течение тысячелетий производство железа было трудоемким делом, и получали металл в небольших количествах. Истинный «железный век» начался лишь в 1735 г. Тогда на металлургическом заводе в английском городке Колбрукдейле на реке Северн удалось получить желанный металл в доменной печи с помощью кокса (дегазированного угля) — чугун. Лишь теперь стало возможным его массовое производство.

Удаление углерода из чугуна в грушевидной реторте по методу Бессемера. Прогресс в сталелитейном деле сказывался и на мостостроении

Там же, в Колбрукдейле, в 1779 г. появился и первый в мире мост из металла, построенный доменщиком Абрахамом Дерби и инженером Джозефом Уилкинсоном. Мост соединял берега реки Северн; как исторический памятник он находится сейчас под охраной государства. Чугун — материал хрупкий; как и естественный камень, он выдерживает лишь силы сжатия. Поэтому создатели моста применили уже испытанную арочную конструкцию. Детали арок пролетом 21 м были отлиты на заводе Дерби. На строительной площадке их предстояло лишь собрать.

Первый чугунный мост был сооружен в Колбрукдейле (Англия) через р. Северн

Первую попытку соорудить по английскому образцу чугунный мост в Германии предпринял спустя 15 лет некий граф в своем имении, находившемся в Нижней Силезии. Через два года отливка деталей была завершена, но собрать их не удалось.

В конце концов граф пригласил техника из Англии, и тот с грехом пополам построил небольшой мостик с 11-метровым пролетом.

Некоторые из множества малых чугунных мостов, построенных по образцу Колбрук-дейлского, со временем обрушились, потому что арки не выдержали. Эпоха больших мостов наступила лишь после того, как из доменного чугуна научились производить железо и сталь. Сталь и кованое железо значительно более вязкие, чем чугун, материалы и выдерживают также растягивающие напряжения. Итак, мосты всех форм и строительных типов — и висячие мосты на цепях и стальных тросах, и арочные из клепаных стальных профилей, и знакомые со времен деревянных мостов каркасные конструкции — стали возводить из нового материала: железа.

Как строили мост Британия?

Группа инженеров во главе с Робертом Стефенсоном, строителем моста Британия. Сам мост виден на заднем плане

Одним из лучших английских мостостроителей был Роберт Стефенсон (1803–1859), сын знаменитого изобретателя и пионера железнодорожного транспорта Джорджа Стефенсона. Известнейшим творением Роберта Стефенсона стал железнодорожный мост через 400-метровый Менейский пролив между Уэльсом и о. Англси. Сначала Стефенсон собирался построить здесь чугунный арочный мост, но тот мог бы помешать проходу большегрузных кораблей. Тогда инженер придумал совершенно необычную для того времени конструкцию: мост должен был состоять из двух склепанных из листового кованого железа параллельных балок в виде труб прямоугольного сечения, внутри которых проходили бы поезда. Такая конструкция называется рамной и обладает высокой прочностью на изгиб. Каждая прямоугольная труба имеет 9 м в высоту и 4,4 м в ширину. На соединение элементов моста ушло более 1,7 млн. заклепок! Мост установлен на каменных опорах и имеет два главных судоходных пролета по 141 м каждый. В 1850 г. во входной проем в египетском стиле с каменными львами по сторонам вкатился первый состав. Новый мост гордо нарекли именем «Британия».

Строительству предшествовало множество экспериментов, обмеров и расчетов, результаты которых Стефенсон опубликовал в двухтомном труде. Он распорядился не только провести всевозможные испытания на прочность различных сортов металла, но и математически вычислил несущую способность различных строительных форм. Провел он также опыты на изгиб при нагрузке на 20-метровой модели моста. При строительстве Стефенсон тоже действовал новаторски. Так, трубы клепались на берегу из заранее заготовленных частей, затем грузились на понтоны и на плаву доставлялись к быкам, куда подавались при помощи гидравлических подъемников. Большинство теперешних автодорожных мостов — потомки моста Британия. Их основа — длинные стальные или железобетонные рамы, несущие на себе проезжую часть.

Новый материал — новые строительные конструкции: железо и сталь работают также и на растяжение и позволяют размещать проезжую часть не только поверх, но и внутри или под аркой

Многие автодорожные мосты имеют рамную конструкцию: на переднем плане — с параллельным верхним и нижним поясом, на заднем — с вогнутым нижним поясом

Что такое «балка Гербера»?

В дальнейшем многие инженеры стремились изучить все возможности стали как материала, используемого при создании новых конструкций. Все самые совершенные конструкции 2-й половины XIX в. возводились на основе опыта мостостроения; даже такое «чудо света», как Эйфелева башня в Париже, была создана знаменитым мостостроителем Густавом Эйфелем (1832–1923 гг.).

Первые металлические мосты довольно точно копировали уже знакомые нам по каменным мостам арки. Однако вскоре мостовики научились использовать преимущества стали, выдерживающей также и растягивающие напряжения. В то время как у каменных мостов проезжая часть всегда укладывалась над арками, в металлических ее можно было подвесить на стальных тросах. Тогда она «парила» либо снизу стальной фермы, либо внутри нее. Появилась возможность моделировать различные арки. Например, в ферме с верхним прямолинейным и нижним выгнутым поясами (по-немецки такая ферма называется «Fischbauch» — «рыбье брюхо») верхняя прямая часть принимает на себя сжимающие усилия, в то время как нижняя дуга работает на растяжение.

Немецкий инженер Генрих Гербер (1832–1912 гг.) разработал такую систему, при которой между далеко выступающими консольными конструкциями, сооруженными из железных или стальных ферм, висит относительно небольшая балка, получившая название «балки Гербера». Мосты, построенные по такой системе, благодаря этому сравнительно маленькому соединительному элементу могут перекрывать огромные расстояния. Примером может служить строившийся с 1882 по 1890 г. мост в устье реки Форт в Шотландии. Это гигантское сооружение имеет в длину 2500 м, ширина его пролетов 521 м. В течение 27 лет этот мост держал рекорд по протяженности пролета. Только в 1917 г. мост через реку Св. Лаврентия в Канаде пролетом 549 м отодвинул шотландское чудо на второе место.

Форма многих каркасных конструкций того времени продиктована лишь математическими расчетами. Балочные мосты производят особо элегантное впечатление, они легкие и прямые, как стрела. И арка, расположенная под проезжей частью, тоже кажется нам красивой. Некоторые же фермы, наподобие описанного выше «рыбьего брюха», выглядят просто безобразно.

2500-метровый мост в устье реки Форт в Шотландии (внизу его строительство) имеет высокие стальные фермы, между которыми подвешена «балка Гербера»

Почему обрушился мост через реку Тей?

Мы можем лишь восхищаться мужеством тогдашних инженеров, которые стремились создавать все новые и новые конструкции, раздвигая границы технических возможностей человека. Но случались и неудачи — некоторые сооружения обрушивались.

Одной из самых тяжких по последствиям катастроф можно считать крушение моста в устье реки Тей — заливе Ферт-оф-Тей на восточном побережье Шотландии между городами Эдинбургом и Данди. Газеты и иллюстрированные журналы подробно сообщали тогда о ней, мост попал даже в художественную литературу: немецкий инженер Макс Эйт в своем романе «За плугом и тисками» описал обстоятельства трагедии, а известного писателя Теодора Фонтане она побудила к созданию баллады «Мост на реке Тей».

Мост был торжественно открыт в 1878 г., его протяженность была 3155 м, и он был объявлен самым длинным мостом в мире. 86 быков из шести сплоченных чугунных колонн каждый, установленных на каменных фундаментах, поддерживали стальные фермы и балки трубчатого поперечного сечения с одноколейным рельсовым путем, который широкой дугой простирался над заливом.

После полудня в воскресенье 28 декабря 1879 г. с моря налетел ураган. Вечером направлявшийся из Эдинбурга состав с 75 пассажирами въехал на мост. Внезапно дежуривший у моста охранник потерял из виду задние красные огни последнего вагона. Он тут же попытался по телеграфу связаться с постом противоположного берега, чтобы выяснить, прошел ли его поезд, но ответа не получил. Это было верным признаком того, что произошло что-то непредвиденное: не могла же буря просто разорвать телеграфный кабель, находившийся внутри мостовой фермы. Служитель побежал сам проверять, что же случилось, и остолбенел, обнаружив вместо моста пропасть. Исчезла мощная, почти километровой длины, балка центрального пролета. Внизу бушевало море, и лишь ряд вспененных мест указывал след от пролета. Бесследно исчез и сам поезд, увлеченный в бездну рухнувшим мостом. Его опоры не выдержали двойной нагрузки — идущего состава и ураганного ветра. Не спасся ни один из пассажиров.

Крушение моста через р. Тей в Шотландии в ураганную ночь увлекло в бездну проходивший по нему поезд — никто из 75 пассажиров не спасся. В то время этот мост протяженностью 3155 м был самым длинным в мире

В то время многие свято верили в победу технической мысли над природой, поэтому катастрофа на Тейском мосту повергла людей в настоящий шок, как и несколькими десятилетиями позже гибель «Титаника». Началось скрупулезное расследование причин катастрофы; их оказалось несколько. Ответственный за строительство инженер Томас Буч недооценил те силы, которые воздействуют на мост при ураганном ветре. Были ошибки как при конструировании, так и при строительстве, — желание быстро и дешево возвести такое гигантское сооружение сыграло не последнюю роль. Инженера Буча освободили от всех его должностей, и через год он умер в возрасте всего 58 лет.

Катастрофа на Тейском мосту трагически отозвалась через несколько лет в судьбе одного немецкого инженера, построившего Мюнгстенский мост через реку Вуппер высотой 107 м недалеко от города Золингена. Этот самый высокий в то время железнодорожный арочный мост строился методом наращивания конструкций — от упоров к середине пролета, то есть без установки кружал, — и был возведен в рекордные сроки: всего лишь полгода длился монтаж стальной арки. Однако во время открытия моста в июле 1897 г., на котором присутствовал сам наследник германского императора, когда украшенный венком локомотив уже был готов пересечь новую переправу, главному инженеру показалось, что при расчетах он допустил роковую ошибку, и он в ужасе бросился с моста в реку. Трагическая смерть: уже почти сто лет функционирует этот мост, отвечающий даже современным требованиям.

Мюнгстенский железнодорожный арочный мост, самый высокий в Германии, пересекает около г. Золингена на высоте 107 м долину р. Вуппер

Кто построил Бруклинский мост в Нью-Йорке?

Рекорды протяженности пролетов, как правило, принадлежат не каменным или бетонным мостам, не балочным и арочным. Все они уступают пальму первенства «королю мостов» — висячему мосту на стальных тросах. Еще 2000 лет назад китайцы подвешивали мосты с довольно большими пролетами на цепях из кованого железа. Один из них, мост Лу-Дин через реку Даду в провинции Сычуань, например, имеет длину 101 м. Правда, его проезжая часть провисает.

В современных висячих мостах проезжая часть подвешена на стальных штангах или тросах разной длины, что позволяет ей оставаться горизонтальной. Первый такой мост построил еще в 1801 г. в штате Пенсильвания американец Джеймс Финлей. Длина пролета составляла всего 21 м, но он стал образцом для многих последователей Финлея. К числу самых протяженных из существующих поныне относится автодорожный мост через Менейский пролив (Англия) с его 175-метровым пролетом. А ведь еще в 1826 г. по нему торжественно проследовала первая почтовая карета. Мост через Менейский пролив построил английский инженер Томас Телфорд. В юности он был пастухом и искусством мостостроения овладел самостоятельно.

Один из первых мостов на проволочных тросах был построен через р. Зане около Фрибурга (Швейцария). Гравюра на стали 1850 г.

Несущий трос Северинского моста в Кельне. Он состоит из 34 жил, каждая из которых спирально скручена из стальных проволок

В современных висячих мостах применяются не цепи, а тросы, сплетенные из тысяч тонких стальных проволок. Такой трос изобрел около 1820 г. швейцарец Анри Дюфор. А в 1834 г. мост на проволочных тросах был перекинут через долину реки Зане, неподалеку от города Фрибурга.

Однако самые протяженные висячие мосты появились в Америке, где для перекрытия многочисленных широких рек требовались особенно большие пролеты. Самым знаменитым строителем североамериканских мостов стал Джон Август Роблинг. Он родился в Берлине, а в 1831 г. эмигрировал в США. Там Роблинг основал фермерскую колонию, затем работал инженером-геодезистом на строительстве канала, наконец, построил завод для производства стальных тросов и занялся мостостроением. К тому времени из-за ветров рухнуло уже несколько висячих мостов. Поэтому главной заботой Роблинга стали поиски надежных жестких креплений, которые придали бы его сооружениям ветроустойчивость. Его первым большим успехом стал висячий мост на реке Ниагаре, ниже всемирно известного водопада. Пролет моста 246 м, он двухэтажный — один этаж для автотранспорта, другой для локомотивов. Славу Роблингу принес Бруклинский мост в Нью-Йорке, соединивший через Ист-Ривер городские районы Бруклин и Манхэттен. Сооружение поистине колоссально: уже сам пролет в 486 м был для того времени невероятным, а сложенные из гранитных блоков порталы, несущие стальные тросы толщиной до 40 см, выше, чем многие колокольни церквей и храмов.

Первый большой мост инженера Джона Августа Роблинга: двухъярусный висячий автомобильно-железнодорожный мост через р. Ниагару

Сам Роблинг погиб от несчастного случая в 1869 г., вскоре после начала работ. Однако все его расчеты и планы были претворены в жизнь его сыном Вашингтоном. К сожалению, наследника Роблинга тоже постигла трагическая участь. Он использовал для установки опор новый по тем временам кессонный метод: герметическая, но открытая снизу деревянная камера, несколько напоминающая колокол, опускалась на дно, и силой сжатого воздуха из нее вытеснялась вода; рабочие попадали в кессон через специальную переходную камеру с воздушным шлюзом. Им приходилось работать при свете керосиновых ламп и повышенном атмосферном давлении, а это было небезопасно. Они страдали от одышки, если слишком быстро заканчивали шлюзование. У них возникали горловые и носовые кровотечения, многие теряли сознание, а иных даже разбивал паралич. Некоторые погибали от неизвестной тогда кессонной болезни. Жертвой ее стал и сам Вашингтон Роблинг: в 35-летнем возрасте его парализовало. Прикованный к инвалидной коляске, он все-таки продолжал руководить строительством, наблюдая за работами в подзорную трубу из окон своего дома. Его жена служила «связным» между ним и строительной площадкой, передавая указания мужа. Воля Вашингтона Роблинга к жизни была поразительной. И вот после 14 лет строительства, в 1883 г., президент США торжественно открыл мост. 20 лет висячий Бруклинский мост оставался самым длинным в мире и считался чуть ли не восьмым чудом света.

Мощные опоры держат проволочные тросы, на которых висит Бруклинский мост

Висячий Бруклинский мост, которому уже больше 100 лет, над Ист-Ривер на фоне нью-йоркских небоскребов

«Король мостов» — висячий мост — в разных обличьях: слева — мост через Золотые Ворота в Сан-Франциско, справа вверху — мост через Босфор, под ним — мост Джорджа Вашингтона через р. Гудзон в Нью-Йорке

Кессон в разрезе. Через вертикальную шахту с переходным воздушным шлюзом рабочие попадают в находящееся под давлением помещение

США вскоре стали страной висячих мостов. В 1931 г. в Нью-Йорке построили мост Джорджа Вашингтона, пролет которого был уже больше километра. В 1937 г. в Сан-Франциско возведен мост через пролив Золотые Ворота с четырехступенчатыми стальными рамочными пилонами высотой 210 м. Многие считают его самым красивым мостом мира. Мост через Босфор, возведенный в 1973 г., не столь огромен, как эти висячие сооружения, но это первое такое соединение между Европой и Азией. Рекорд же протяженности пролета с 1981 г. принадлежит мосту через реку Хамбер на востоке Англии — его длина 1410 м, высота 162 м.

Уже идут работы по строительству моста, который в 1998 г. свяжет японские острова Хонсю и Сикоку. Его пролет составит 1990 м.

Что стало причиной катастрофы Тэкомского моста?

Хотя висячий мост и стал «королем мостов», оставались проблемы, которые надо было решать. Висячие мосты очень восприимчивы к боковому ветру; если они начинают раскачиваться из стороны в сторону, то легко разрушаются. Около дюжины висячих мостов рухнули по этой причине.

В 1940 г. обвалился пятый тогда по величине висячий мост через пролив Тэкома-Нэроуз в американском штате Вашингтон. Это стало сенсацией для всей прессы. Трагедия была запечатлена даже на кинопленке: поскольку сомнения в прочности этого сооружения возникали и раньше, за мостом велось постоянное наблюдение. К 7 ноября он находился в эксплуатации всего лишь четыре месяца. Дул сильный боковой ветер, и вдруг 800-метровая проезжая часть главного пролета стала раскачиваться все сильнее и сильнее. Автомобиль, переезжавший мост в этот момент, был отброшен к перилам ограждения. Ехавшие в нем Джо Арлингтон и его жена успели выскочить и поползли вдоль ограды к спасительному берегу, цепляясь за перила, чтобы не сорваться в воду. В тот момент, когда они добрались до твердой земли, от все усиливавшихся колебаний лопнули тросы, и все сооружение с ужасающим грохотом рухнуло в бездну.

Крушение моста через Тэкома-Нэроуз

Ферма коробчатой конструкции восстановленного моста Тэкома-Нэроуз

Эта катастрофа послужила уроком для инженеров-мостовиков. Вскоре в Америке стали строить крутильно-жесткие (не подверженные колебаниям) фермы коробчатой конструкции. В Европе же, после многочисленных опытов в аэродинамической трубе, где имитировали давление ветра на модель конструкции, решили делать в теле мостов горизонтальные отверстия, чтобы устранить причину колебаний — завихрения воздуха возле преграды.

Что такое вантовый мост?

В обычном висячем мосту несущие тросы, перекинутые через пилоны, закрепляются на берегах. Вся конструкция держится на этих дугообразно провисающих между опорами тросах. Наряду с этим существуют и вантовые висячие мосты, где проезжая часть подвешивается на множестве косых тросов, крепящих ее к высоким пилонам. При этом тросы натянуты не от верхней точки пилона, а с разных его уровней и расходятся веерообразно или параллельно, подобно струнам арфы.

Несущие тросы вантового моста почти прямые, у традиционного висячего моста они имеют форму дуги

Они предельно натянуты, так что почти не провисают. При такой конструкции балка моста под проезжей частью может быть непривычно тонкой.

К исходу второй мировой войны все мосты через Рейн были разрушены. Когда в начале 50-х гг. их начали восстанавливать, наиболее выгодной и экономичной была признана редко до того применявшаяся вантовая конструкция. Первым из вантовых мостов, которые стали строить на Рейне, был мост Теодора Хойса в Дюссельдорфе.

Во Франции, неподалеку от Онфлера, в устье Сены строится вантовый мост с пролетом уже 856 м.

Автодорожный мост в Дюссельдорфе — Флее. Его пролет 368 м, это большой вантовый мост в Германии

Бывают ли подвижные мосты?

Много веков назад, когда владелец замка хотел защититься от врагов, он просто приказывал поднять мосты над крепостным рвом. Похожие подъемные мосты можно встретить и на каналах Нидерландов, и в Восточной Фрисландии. Но здесь они служат не защитой от врагов, а лишь для того, чтобы дать проход судам.

В низменной стране, где так много каналов, было бы слишком накладно строить множество виадуков, способных пропускать суда с мачтами, к тому же пришлось бы насыпать длинные пандусы. Поэтому проще пользоваться разводными, или подъемными, мостами. Самый знаменитый из них находится, однако, не в Нидерландах, а на юге Франции около города Арля. А известен он тем, что вдохновил Винсента Ван Гога на одну из его самых замечательных картин, Разводные мосты — разновидность подвижных мостов. Современная форма разводного моста — это раскрывающийся мост, наподобие того, что в 1964 г. был построен через портовый канал в Любеке. Когда корабль подходит к нему, гидравлические подъемники за несколько минут поднимают разделенную на четыре платформы проезжую часть весом по 280 т каждая.

На одном из всемирно известных полотен Винсента Ван Гога запечатлен мост в Арле, на юге Франции

Подъемные мосты из дерева и стали сегодня еще используются в Северной Германии и Нидерландах

Мост Тауэр с 1895 г. известен как символ Лондона, но немногие знают, что он тоже раскрывается. Его нижняя проезжая часть состоит из двух половин по 30 м длиной каждая, и они поднимаются на полторы минуты.

Мост Тауэр в Лондоне. Нижняя проезжая часть может разводиться. Сверху находится пешеходный мост

В Любеке применено еще одно техническое новшество — подъемно-разводной мост: за три минуты 350-тонное сооружение можно поднять и повернуть на 56 градусов, чтобы пропустить судно. И здесь за передачу энергии тоже отвечает гидравлика; рабочей жидкостью служит обыкновенная речная вода. С 1892 г. делает она свое дело, связывая центр города с районом Св. Лаврентия.

Особой проблемой являются железные дороги на территории портов. С одной стороны, для прохода большегрузных морских судов нужны высокие мосты, с другой стороны — железным дорогам противопоказаны крутые подъемы, а для устройства длинных пандусов в портах не хватает места.

В Гамбурге возникла идея построить для железной дороги современный подъемный мост через реку Зюдерэльбе, которая в этом месте имеет ширину до 280 м. Мост назвали Катвикским. Когда судно приближается к нему, железнодорожная колея перекрывается, и подвижная часть моста длиной 106 м между двумя 70-метровыми башнями вздымается вверх на 46 м при помощи электромоторов, стальных тросов и противовесов.

Разводные мосты могут отводиться в сторону, чтобы дать дорогу судну

Катвикский мост через р. Зюдерэльбе в Гамбурге. Средний пролет поднимается вверх на 46 м