Висячие мосты | ТМ 1940-10

Статья прослеживает историю мостостроения — от примитивных ротанговых и бамбуковых мостов Юго‑Восточной Азии до гигантских металлических висячих мостов XX века. Показано, что на протяжении тысячелетий прогресс был медленным: каменные и деревянные конструкции ограничивали длину пролётов. Римляне создали выдающиеся сооружения, но после падения империи развитие в Европе надолго остановилось. Лишь с появлением металла — чугуна, затем прокатного железа и стали — стало возможным резкое увеличение пролётов и создание новых типов конструкций: балочных, консольных, арочных и особенно висячих мостов. США стали лидером в этой области, построив мосты через Ниагару, Бруклинский мост, мост через Гудзон и рекордный мост «Золотые Ворота» с пролётом 1280 метров. Подробно описаны устройство висячих мостов, изготовление гигантских стальных канатов и строительство мостовой системы Сан‑Франциско — Окленд.

---

З. ПЕРЛЯ

В дебрях непроходимых лесов острова Целебес в Голландской Индии по извилистому и каменистому руслу стремительно течёт бурная река Салн-Манио. Люди переходят через неё по ажурному висячему мосту, построенному из гибких ветвей пальмы ротанг. Десяток длинных и тонких ветвей, сложенных вместе по длине, образует узкую тропинку для пешехода. С помощью гигантских колец из того же ротанга полотно моста подвешено к длинным жердям, переброшенным через реку. Концы жердей надёжно прикреплены к верхушкам могучих стволов на берегах реки. В кольца-подвески вплетены по бокам такие же жерди, — это поручни моста. Такие первобытные висячие мосты существовали на Целебесе много веков. Существуют они и сейчас.

Висячий мост из гибких пальмовых ветвей на острове Целебес. Такие мосты существовали уже в I веке нашей эры.

На острове Ява сохранились мосты, построенные из бамбуковых стволов. На берегах реки или оврага прочно укреплены связанные вместе и наклонённые к воде бамбуковые стволы. К ним на крепких лианах подвешено полотно моста. Это своего рода смешанная конструкция — консольно-висячая.

Висячий мост из бамбуковых стволов (Ява).

Искусство мостостроения, по-видимому, насчитывает не меньше трех-четырёх тысяч лет существования. Ещё древние шумеры, жившие за четыре тысячи лет до нашей эры на территории Вавилонского царства, умели строить арки и своды и применять их при сооружении мостов.

Однако за тысячелетия, прошедшие со времён вавилонских царей до середины XVIII века, искусство мостостроения не сделало значительных технических успехов. Важнейший показатель прогресса мостостроения — увеличение длины пролёта между устоями моста — долгие годы оставался почти без изменения. Длина пролёта известного моста императора Траяна через Дунай, построенного римлянами под руководством знаменитого зодчего Аполлодора в 104 г., равнялась 37 метрам. Любопытно, что эта длина лишь немногим больше длины пролётов древнейших мостов и всего на 2 метра меньше пролёта моста через Сену, построенного в 1874 г. известнейшим в то время специалистом по мостостроению инженером Пероне.

Примитивные деревянные мосты были непрочными и годились лишь для одиночных пешеходов. Обычно они пересекали узкие речушки и небольшие овраги. Для гужевого транспорта и военных переправ через широкие водные пространства нужны были иные, более прочные мосты. Это заставило от дерева перейти к другому строительному материалу — камню. Первоначально из камня делали лишь устои мостов, а настил по-прежнему оставался деревянным. Позднее строители стремились уже к полной замене дерева камнем. Мостовые балки вытёсывали из каменных плит и укладывали на устои. Естественно, что при такой конструкции длина пролётов была небольшая. Чтобы увеличить её, каменные балки начали располагать в виде консоли над устоем. Две балки выступали от двух соседних устоев навстречу друг другу, а промежуток между ними перекрывался третьей балкой. Но и такой способ не давал достаточной длины перекрытия. Тогда стали делать сводчатые перекрытия — арки. В качестве материала применялись и дерево, и камень.

Каменный виадук через Гельтчскую долину (Германия, 1851 г.).

*

У римлян искусство мостостроения достигло большой высоты. Их торговым и военным дорогам нужны были крепкие, долговечные мосты. Многовековой опыт римских строителей привёл к созданию выдающихся мостовых сооружений. Одно из первых мест среди них занимает упомянутый уже мост через Дунай.

Сохранившиеся остатки моста и изображения его на Траяновой колонне в Риме позволяют представить себе это гигантское по тем временам сооружение. Огромный мост длиной в 1200 метров пересекал воды Дуная. Мост был разбит на двадцать один пролёт; длина каждого из них равнялась 37 метрам, а расстояние между центрами опор — 52 метрам. Устои были выстроены из камня, а мостовой настил — из огромных решетчатых деревянных ферм.

Пролёт моста Траяна через Дунай. (Реставрация.)

Сравнение этого исключительного инженерного сооружения с современными арочными мостами приводит в изумление. Приходится удивляться, как в те времена, когда не существовало теории мостостроения и расчётов мостов, могли создаваться конструкции, в принципе совершенно сходные с мостами XX века.

После падения Римской империи искусство сооружения мостов в Европе заглохло на несколько столетий. Оно продолжало процветать на Востоке — в Византии, Малой Азии и Китае. Ещё тысячу лет тому назад в стране самой большой стены и самого большого терпения — в Китае, у залива Гангчу, около Хоочинга, был построен самый большой в мире мост, длиной в 144 километра. Он пересекал огромную заболоченную в те времена впадину и служил дорогой для пешеходов и гужевого транспорта.

В средние века по сёлам и городам Западной Европы бродили дородные фигуры в белых монашеских рясах с изображением на груди двух красных мостовых арок и кирки. Это были монахи, члены «Мостового братства». Они собирали деньги и занимались постройкой мостов. В 1176 г. «Мостовое братство» начало строить мост через Темзу в Лондоне. Тридцать три года продолжалось строительство. Шесть веков просуществовал этот мост. Целые столетия это сооружение служило единственной связью между обеими частями города. Двести лет жители города и окрестных поселений несли на себе бремя налога за пользование этим мостом. Это было диковинное каменное сооружение с рядами деревянных домов, висевших над Темзой по бокам моста. Между домами пролегало узкое и мрачное полотно моста, напоминавшее заброшенный переулок.

В средние века, отличавшиеся упадком искусств и ремёсел, мостостроение не сделало никаких успехов. Этот период застоя и упадка окончился вместе с эпохой Средневековья. Новые торговые и военные дороги потребовали и новых мостов. Длина пролётов достигала теперь иногда уже 60—70 метров. Но дерево и камень по-прежнему ограничивали возможности строителей. На протяжении веков улучшались техника и технология сооружения мостов, но строители не могли создать большой длины пролёта.

Так продолжалось до второй половины XVIII века. К этому времени инженеры накопили уже значительные научно-технические знания и опыт в мостостроении. Они научились строить крупные мостовые сооружения с большой длиной пролёта даже из дерева. Для этого стали применять раскосные мостовые фермы. Так, в 1778 г. в Германии у города Веттинген через реку Лиммат был переброшен деревянный мост с пролётом в 119 метров.

Но только металл — чугун, железо и сталь, — пришедший на смену камню и дереву, стал тем материалом, который позволил в относительно короткий срок резко двинуть вперёд технику мостостроения. Промышленный переворот конца XVIII века дал мостостроителям этот новый материал, о котором мечтали ещё в XVI веке. Первый металлический мост был построен в 1779 г. из чугуна с очень скромной длиной пролёта в 30,6 метра. Но уже через тридцать пять лет длина пролёта Саутверкского чугунного моста через Темзу в Лондоне достигла 73 метров. С этого времени и началось не прекращающееся до наших дней увеличение мостовых пролётов.

Частые провалы чугунных мостов создали дурную славу этому материалу. Появившееся вскоре пудлинговое прокатное железо вытеснило чугун. Высокие механические свойства этого железа сделали возможной постройку металлических висячих мостов, подобных древнейшим подвесным сооружениям из гибких ветвей.

*

В чем же заключается ценное свойство железа и стали, которое позволило строить висячие мосты? Прежде всего в том, что железо хорошо работает на растяжение. Это нетрудно пояснить простым опытом. Укрепим на столе в вертикальном положении полуметровый отрезок железной проволоки диаметром в 1 миллиметр и подвесим к её верхнему концу тяжесть в 10 килограммов. Проволока тотчас же согнётся, не выдержав груза. Подвесим теперь такой же отрезок проволоки к потолку и прикрепим к нижнему концу её такую же тяжесть. С проволокой ничего не случится, она выдержит груз.

В первом случае проволока работала на сжатие, а во втором — на растяжение. Если бы мы хотели, чтобы и в первом случае опора выдержала груз, нам пришлось бы подпереть 10 килограммов не проволокой, а прутом значительно большего диаметра. Значит, массивные, тяжёлые каменные опоры, лес металлических балок и ферм — всё это можно заменить железным или стальным канатом, образующим большой мостовой пролёт. Канат будет работать на растяжение и выдержит большую тяжесть мостового настила.

Больше ста лет тому назад, когда в 1826 г. строили первый висячий мост, это свойство железа было известно, но строители ещё не были вооружены точными расчётными данными, полученными наукой в последующее время. И всё же они отваживались строить мосты со всё растущими длинами пролётов. За короткое время длина пролётов возросла до 265 метров (мост у Фрейбурга, 1835 г.).

Висячий цепной мост через Дунай у Будапешта с длиной пролета в 203 метра (1845 г.).

Этот период времени совпал с постройкой первых железных дорог. Понадобились железнодорожные мосты, которым предстояло выдерживать всё растущую тяжесть поездных составов и удары — толчки во время их движения. Европейские инженеры не решились доверить висячим конструкциям такую нагрузку. Это недоверие имело некоторые основания: несколько висячих мостов обрушилось под влиянием не учтённых при их постройке давлений ветра и сотрясений во время быстрой езды. Снова строители вернулись к различным конструкциям многоопорных сооружений, но все стремления по-прежнему были направлены на удлинение расстояния между устоями. Инженеры-мостостроители брали от новой техники всё, что только она могла дать: улучшение механических свойств материалов, совершенствование теории мостостроения, новые конструкции, которые, кстати сказать, нередко представляли собой воспроизведение старинных конструктивных идей на базе новой техники. Так появились балочные мосты, фермы которых сплетались в ажурное кружево решетчатых стен, усиливавших жёсткость полотна.

Тризанский балочный мост с длиной пролёта в 120 метров (Италия, 1884 г.).

Мост через Фортский пролив в Шотландии, построенный в 1890 г., был первым гигантом другой конструкции — консольно-балочной. Длина пролёта моста достигла 521 метра. Это гигантское сооружение, в котором была воспроизведена древняя идея консольных мостов, представляло чудо техники своего времени. Двадцать семь пролётов общей длиной в 2468 метров несли полотно моста на высоте 51 метра над уровнем воды. Но и этот рекорд был перекрыт. Двенадцать лет тому назад в Квебеке, в Канаде, был построен такой же консольно-балочный мост через реку Св. Лаврентия с длиной пролёта в 549 метров.

Живая «модель» Фортского моста. Обе крайние человеческие фигуры изображают собой устои, от которых в обе стороны отходят выступы, образованные руками и крепкими стержнями. Средняя часть моста изображена в виде скамьи, на которой сидит третий человек. Чтобы вся система оставалась в равновесии, свободные внешние выступы нагружаются кирпичами. Из этой схемы видно, что руки обеих крайних фигур и сопряжённые с ними стержни испытывают растяжение. Стержни же, направленные книзу, испытывают сжатие.

Металлические арочные конструкции достигли рекордной длины пролёта в 1932 г., когда был выстроен мост через гавань Сиднея в Австралии. Длина его пролёта равнялась 503 метрам.

Но абсолютным победителем в соревновании на длину пролёта всё же оказался висячий мост. В то время как в старой Европе инженеры убоялись смелой конструктивной идеи, лежавшей в основе устройства висячих мостов, в Америке над ней продолжали упорно работать. Строители научились точно вычислять напряжения в отдельных частях моста при определённых нагрузках. Бессемеровский способ производства стали обеспечил строителей надёжным материалом. Всё это позволило американцам доверить висячим мостам даже тяжёлые железнодорожные составы. Длина пролётов резко возросла. В мосте через Ниагару она достигла 250 метров, в мосте через Огайо — 322 метров; мост между Нью-Йорком и Бруклином, выстроенный ещё в 1870 г., имеет длину пролёта в 487 метров, а мост через Делавэр, у Филадельфии, — даже 533 метра.

Казалось, что эти результаты уже трудно превзойти. Но в 1932 г. в США был выстроен висячий мост через Гудзон с длиной пролёта в 1067 метров. Полотно этого моста может пропускать одновременно четыре потока легковых автомашин, три потока грузового транспорта и четыре железнодорожных состава. Оно висит над рекой на высоте 60 метров.

Висячий кабельный мост через Гудзон с длиной пролёта в 1067 метров (США, 1932 г.).

Но даже и этот мост-гигант остался позади, после того как в 1938 г. была закончена постройка моста через Золотые Ворота — пролив, ведущий в бухту Сан-Франциско. Длина его пролёта 1280 метров. Это рекордная длина пролёта в наши дни. Висячие мосты выиграли, таким образом, соревнование. Другие конструкции остались далеко позади, отстав на три четверти километра.

*

Как же устроен современный висячий мост, хотя бы мост-гигант через Золотые Ворота? Настил этого моста — проезжая часть для автомобилей и поездов — подвешен к двум стальным канатам, протянутым с одного берега на другой между двумя высокими башнями-пилонами. Концы канатов закреплены в опорных массивах на берегах. Общая длина моста 1500 метров, длина же подвешенного полотна 1280 метров, а ширина его 27,5 метра. Диаметр каната равен почти 1 метру. Канат-гигант пришлось изготовлять очень кропотливым способом, из 27500 отдельных проволок диаметром по 4,8 миллиметра каждая.

Высококачественная, особо прочная сталь этой проволоки обеспечивает огромную грузоподъёмность канатов. Она в четыре раза прочнее обыкновенной проволоки такого же диаметра. Каждая проволока может выдерживать груз в 3 тонны, а весь кабель — 81 тыс. тонн. Высота башен-пилонов достигает 214 метров. Это как бы огромные небоскрёбы, торчащие из моря. Башни принимают на себя всю нагрузку моста через канаты и работают на сжатие.

Чтобы мост не колебался, полотно укреплено балками в виде решетчатых ферм длиною в 7,5 метра, сообщающих конструкции достаточную жёсткость и работающих на изгиб.

Проект подъездных путей к большому висячему мосту в Сан-Франциско.

В непосредственной близости от моста через Золотые Ворота в той же бухте Сан-Франциско и в то же время выстроен ещё один мост-гигант, превзошедший по длине все современные мостовые сооружения мира. Это, собственно, не один мост, а непрерывная цепь мостов длиною в 12 километров, переброшенная через бухту Сан-Франциско и соединяющая его с крупнейшим пригородом Оклендом. Мост облегчил связь и намного укоротил дорогу между Сан-Франциско и Оклендом.

Посредине бухты расположен небольшой островок Йерба-Буэна, использованный строителями в качестве естественной опоры. От Сан-Франциско на этот островок последовательно переброшены два висячих моста. Длина каждого из них 760 метров. На полдороге до островка установлена опора для закрепления полотен и кабелей обоих мостов. Высота полотна над морем 90 метров. Полотно пронизывает холм островка тоннелем длиною в 165 метров. Затем следует короткий виадук по суше островка, переходящий в консольный мост в сторону Окленда. Длина пролёта этого моста 425 метров. Затем следует пять мостов из решетчатых ферм с пролётами и четырнадцать простых балочных мостов с пролётами по 89 метров.

Вся эта система мостов и тоннеля двухэтажная. Два полотна расположены одно над другим. На верхнем устроены шесть дорожек для легкового автотранспорта, на нижнем проложены три дорожки для грузового транспорта и два железнодорожных пути. За год мост должен пропускать 30 млн. автомобилей.

В обоих висячих мостах Сан-Франциско особо интересны изготовление и монтаж канатов. Проволока для них была первоначально прокатана до длины в 1000 метров. Затем отдельные концы её скреплялись нарезными муфточками, и проволока наматывалась на барабаны. На каждом барабане умещалось 28 километров проволоки. В таком виде она была доставлена на строительство. Здесь проволоку разматывали с барабана и наматывали между опорами. При этом её не свивали, а укладывали в кабель параллельными нитями. Для этого между пилонами были натянуты вспомогательные кабели, прикреплённые к опорам. Всего их было четыре, по два с каждой стороны пилонов. Между каждыми двумя кабелями были проложены поперечины, на которых устанавливались платформы для рабочих. На платформах находились и вертикальные рамы — станины с направляющими роликами для проволоки. Бесконечный канат, переброшенный через два горизонтальных шкива, вращающихся от мотора, служил для протягивания проволоки между опорами. Две проволоки крепились одновременно к двум ветвям бесконечного каната и таким образом отправлялись в противоположные направления.

Стальная проволока нить за нитью в виде жгута укладывалась вокруг подковообразного башмака, затем снова бежала обратно ко второй опоре. Когда количество натянутых проволок достигало 472, вся прядь связывалась в толстый жгут и закреплялась на опоре. Одновременно собранный жгут укладывался в гнездо для кабеля на пилоне.

Весь кабель второго моста (через бухту) состоит из 37 жгутов, или из 17464 проволок. Жгуты, собранные в один гигантский трос, образовали форму шестиугольного сечения. Чтобы получить круглое сечение, кабель пришлось пропустить через цилиндрическую форму, сжимая его мощным прессом. Этот пресс, работающий при помощи сжатого воздуха, передвигали по кабелю, отжимая каждый участок троса.

Своеобразное прядение этого гигантского стального каната продолжалось полгода. Для защиты от коррозии кабель обмотали освинцованной проволокой. Каждый погонный метр кабелей несёт 29,5 тонны веса моста и 10,75 тонны его эксплуатационной нагрузки (то есть веса перевозимых через мост грузов) а всего — 40,25 тонны.

Опытный отрезок спрессованного кабеля, предназначенный для испытания на прочность.

Сейчас возможности современной техники уже опередили последние американские достижения. Металлурги могут снабдить мостостроителей такой высококачественной проволокой, которая позволит довести длину пролёта до 5 километров. Это значит, например, что можно перебросить лёгкий, ажурный мост через Керченский пролив и соединить Крым с Кавказом прямой короткой дорогой. Даже в консольно-балочных и арочных конструкциях осуществима длина пролёта в 1,5—2,5 километра.

*

В нашей стране труды советских инженеров поставили теорию проектирования и постройки висячих мостов на значительную высоту. Практически перед советскими мостостроителями ещё не возникала необходимость постройки грандиозных висячих мостов. Кроме трех висячих мостов (в Грузии, на Алтае и в Средней Азии) с длиной пролёта в 80, 100 и 132 метра, в Москве построен висячий мост через Москва-реку с длиной пролёта в 168 метров. Несмотря на небольшую длину пролёта, этот мост имеет некоторые преимущества перед американскими и западноевропейскими: он в полтора раза шире моста Сан-Франциско, а его пилоны освобождены от верхних распоров, что облегчает и украшает конструкцию.

*

Ближайшее будущее советского мостостроения богато перспективами. Сибирь, Дальний Восток, Крайний Север и другие области нашей страны изобилуют огромными водными артериями. Советским мостостроителям предстоит работа над грандиознейшими сооружениями современной техники.