Краткий исторический очерк развития

Мостостроения

Считается, что впервые человека навело на мысль соорудить мост случайно упавшее через ручей дерево. Известны естественные ка­менные мосты, образованные выветриванием и действием воды. Ба­лочные мосты, созданные самой природой, как, например, существую-

Рис. 1.23. Естественный балочный мост в Утахе (США). Пролет 46 м. Толщина балки посередине 4 м

щий и поныне в Утахе (США) (рис. 1.23), несомненно, могли служить образцом для первобытных каменных мостов из гранитных глыб типа дольменов (дольмен — древнее погребальное сооружение из огромных каменных глыб и плит, сложенных в виде ящика, покрытого плоской плитой; происходит от британского tol — стол и men — камень). Наи­более ярким примером создания природой монументального сооруже­ния может служить открытый в 1961 г. в Перу гигантский нерукотвор­ный мост из песчаника, зависший над ревущей рекой Кутеберени в труднодоступной теснине горной гряды Анд на высоте 2,3 тыс. м над уровнем моря. Его высота над водой составляет 183 м, длина — 365 м, а ширина может вместить шесть футбольных полей.

На протяжении веков монументальные сооружения строились из камня. Камень — естественный материал, созданный самой природой из минералов и спрессованный на протяжении сотен миллионов лет. Это самый прочный строительный материал. Из камня сложены вели­кие египетские пирамиды, пережившие пять тысячелетий. Достоинства каменных мостов обуславливаются не только их долговечностью, но и гармонией с окружающей природой. Со временем люди научились строить не только рационально, прочно, но и постигли искусство про­порциональных соотношений, которые позволяют вписывать воз­водимые сооружения в окружающий ландшафт. Большое количество сохранившихся до настоящего времени каменных мостов было пост­роено во времена Древнего Рима (рис. 1.24, а, б). Выдающимися гран­диозными сооружениями древнеримской архитектуры стали аркады ак­ведуков, поскольку воду в Рим подавали с Альбанских гор с помощью многокилометровых коммуникаций. Строительство водопроводов (ак­ведуков) было делом исключительной важности. Очень много акве­дуков, фонтанов и других гидротехнических сооружений выполнено в I веке. Гидротехник Фронтин оставил известное сочинение о римских водопроводах. Кроме акведуков, строилось и большое количество мо­стов через реки.

Так как река служила оборонительным рубежом, мосты строились только в случаях крайней необходимости, в целях снабжения города. Через мост проходили все пути, поэтому со временем на мостах сосре­дотачивалась бойкая торговля.

На протяжении веков в мостостроении совершенствовались техни­ческие способы возведения сооружений, приемы каменной кладки, кон­струкции кружал, транспортировки строительных материалов, изучались

Рис. 1.24. Примеры каменных мостов, построенных в разные периоды:

а — арки акведука Клавдия (I век н.э.); б — мост в Вероне, Италия (II век н.э.);

в — каменный мост в Царицыне (1775—1785 гг.)

грунтовые основания и способы строительства и эксплуатации мосто­вых опор в воде.

Для большинства каменных мостов характерны полуциркульные своды и большая толщина опор (быков) — от 1/3 до 1/2 длины пролета (рис. 1.24, в). Кладка большинства мостов выполнялась насухо из тща­тельно отесанных камней или на известковом растворе. В более позднее время, наряду с естественным камнем, при строительстве мостов начали применять высокопрочный (клинкерный) кирпич. Более пологие своды, возросшие размеры пролетов и более совершенные очертания изменили облик мостов.

Каменные мосты — арочные мосты, так как вырубить каменные блоки можно только ограниченной величины, которая недостаточна для перекрытия даже небольших пролетов, к тому же камень не способен изгибаться, и тонкая каменная балка или плита при значительной на­грузке сломается в середине пролета. Арка сложена из клинчатых кам­ней, каждый из которых сжат соседними. Это обеспечивает прочность и устойчивость конструкции. Такая конструктивная система — криво­линейные своды пролетов, опирающиеся на быки и устои, сохранялась очень долго. Только в XVIII—XIX вв. применение металла (сначала чу­гуна, позднее прокатных профилей железа и стали, а затем и железобе­тонных конструкций) привело к развитию многообразных систем мос­товых сооружений.

В древности, наряду с каменными, строились и деревянные мосты для пешеходного движения и гужевого транспорта. Одним из древ­нейших является мост через р. Евфрат в Вавилоне, построенный за 2000 лет до нашей эры. Мост имел длину 300 м, опоры кирпичные, пролеты по 9 м перекрывались деревянными балками. Известен деревянный мост через р. Тибр в Риме, построенный за 630 лет до нашей эры, а так­же деревянные мосты в Древней Руси, строившиеся при Ярославе Му­дром, Владимире Мономахе, Дмитрии Донском. В Древней Руси ква­лифицированные плотники знали различные способы постройки мостов из дерева с опорами в виде сруба, городней или ряжей, перекрываемых бревенчатыми настилами. Эти конструкции обрабатывались топором, так как пила стала применяться только в XVIII в. Ряжи и городни за­полнялись камнем. В последующем ряжевые опоры стали вытесняться свайными; для усиления балок, перекрывающих пролет, стали приме­няться подбалки и подкосы, что в дальнейшем определило конструкцию подкосных мостов.

Выдающимся проектом в области деревянного мостостроения явля­ется проект арочного однопролетного моста через р. Неву в Петербурге полной длиной 312 м, стрела подъема 1:10, пролет моста — 298,6 м. Конструкция оригинальная, опередившая свое время не только разме­ром, но и системой. Этот проект И.П. Кулибина был русским ответом на конкурс однопролетного моста отверстием в 900 футов (274 м), объ­явленный в то время Лондонской Академией наук. Современников по­разила техническая дерзость моста, превосходившего высотой башню Кунсткамеры. Основная конструкция моста состояла из двух пар решет­чатых арок. Чтобы доказать реальность проекта, Кулибин сделал мо­дель моста в 1:10 натуральной величины, т.е. длиной более 30 м. Мо­дель была испытана специальной комиссией Академии наук под руко­водством знаменитого математика Л. Эйлера и выдержала полуторную нагрузку. Проект в силу обстоятельств не был осуществлен, лишь не­давно удалось построить деревянные арочные мосты пролетом 140 и 150 метров (за рубежом), а в 1938 году на шведском мосту в Анчермане были собраны арочные кружала пролетом 247 м, что уступает мосту Кулибина, но и эта арка обрушилась во время кладки бетонного свода моста. О модели Кулибина Д.И. Журавский писал: «На ней печать ге­ния; она построена на системе, признаваемой наукой самой рациональ­ной...» Позже система Кулибина была использована в Америке в дере­вянных мостах с многорешетчатыми фермами из досок; применяется она и сейчас, но под названием «Американские фермы» или фермы Тауна и фермы Гау.

При строительстве Николаевской железной дороги (1842—1851 гг.) получили широкое распространение деревянные фермы типа Гау, ко­торые изготовлялись из деревянных брусьев и металлических тяжей.

Рис. 1.25. Общий вид моста Кулибина. Модель моста опробована Российской

Академией наук в 1776 г.

В их конструкцию Д.И. Журавский внес ряд усовершенствований и разработал способ их расчета, в результате они получили название фер­мы Гау—Журавского (рис. 1.26).

Фермы Гау—Журавского применяют для перекрытия пролетов от 20 до 50 м. Они имеют крестовую решетку. Эти фермы могут быть досчатог-воздевыми. В целях индустриализации изготовления мостовых конструк­ций желательно выполнять эти работы в заводских условиях или на по­лигонах при наименьших объемах ручных работ по обработке дерева. В пролетных строениях системы Гау—Журавского пояса и раскосы дере­вянные, а стойки — из стальных тяжей. В необходимых случаях, для увеличения надежности ферм в сборных конструкциях, нижний (растя­нутый) пояс, а иногда и оба пояса делают стальными. Соединение рас­косов с поясами в фермах Гау—Журавского способно передавать толь­ко сжимающие усилия. Под действием постоянной нагрузки и при пол­ном загружении всей длины фермы временной (поездной) нагрузкой на

Рис. 27. Схемы мостов с пролетными строениями системы Гау—Журавского:

1 — основной раскос; 2 — обратный раскос; 3 — стальной тяж; 4 — опорная

стойка; 5 — дополнительный полураскос; 6 — дополнительная стойка;

7 — дополнительный тяж

сжатие работают восходящие раскосы, являющиеся основными, и встречные (обратные) раскосы. Так как раскосы ферм Гау—Журавского всегда работают только на сжатие, то в стойках всегда возникают толь­ко растягивающие усилия, что позволяет их делать из стальных тяжей.

Деревянные мосты строятся и теперь в сельской местности северных районов страны, как правило, на свайных, рамно-свайных опорах или на бревенчатых срубах. Применяются они и как временные сооружения, например, для быстрого восстановления мостов на фронтах Великой Отечественной войны 1941—1945 гг.

Новая эра в мостостроении началась с появлением новых строитель­ных материалов: металла и железобетона.

Усилиями славной плеяды известных ученых и инженеров россий­ская школа мостостроения уже в XIX в. заняла одно из ведущих мест в Европе. Россия первая перешла на широкое применение литого железа в качестве основного конструкционного материала для мостов вместо чугуна и сварочного железа.

Начавшееся в России строительство железных дорог способствовало широкому распространению балочных систем, наиболее подходящих для железнодорожных мостов. Российские инженеры С.В. Кербедз, Н.А. Белелюбский и Л.Д. Проскуряков основные усилия направили на поиск новых конструктивных решений и методов расчета, которые бы позволили эффективно использовать материалы, усовершенствовать технологию изготовления элементов и упростить производство работ. Если заслугой Д.И. Журавского является разработка и применение в России сквозных неразрезных деревянных ферм, то С.В. Кербедз был первым, применившим металлические фермы. Ферма с чугунными рас­косами двух направлений, железными поясами и стяжными болтами была спроектирована С.В. Кербедзом в 1850 г. для разводной части моста через р. Неву. Железные балки со сплошной стенкой исполь­зовались в 1853 г. на разводной части Киевского висячего моста через р. Днепр. Мост со сквозными железными фермами строится впервые С.В. Кербедзом в 1853—1857 гг. на Варшавской железной дороге через р. Лугу. Это был самый совершенный в Европе по тому времени мост с металлическими фермами решетчатой системы. Два неразрезных про­лета этого моста, каждый по 55,2 м, имели оригинальную конструкцию из коробчатых поясов со сквозной решеткой.

Прямым продолжателем Кербедза в области мостостроения был Ни­колай Апполонович Белелюбский. По его проектам построено более

100 мостов, а общая длина запроектированных им мостов превышает 17 км. Интенсивное строительство железных дорог в конце XIX и начале XX в. сопровождалось строительством большого числа искусственных сооружений. Построены уникальные мосты, крупнейшие в Европе, че­рез р. Волгу у Сызрани, через реки Иртыш, Ишим, Белую, Тобол, Обь, Енисей, Бузан, Неву, Амур и др. Только на Транссибирской магистрали было построено более 3000 металлических мостов, более 2700 деревян­ных и более 230 каменных. О многих из этих мостов можно сказать — первый мост в Европе (мире) по протяженности, величине перекрывае­мого пролета, глубине опускания кессонов, уникальности способов производства работ.

Начало XX в. знаменуется внедрением нового конструкционного ма­териала для мостов — железобетона. В 1913 г. появились первые проек­ты балочных мостов из сборного железобетона под железную дорогу. В условиях нехватки металла железобетон в эти годы отвоевывает пози­ции у стали даже для перекрытия больших пролетов.

В 1930-е гг. в отечественном мостостроении началось применение электросварки. Инициаторами внедрения электросварки в мостострое­ние были академики Е.О. Патон и Г.П. Передерни. Первый железнодо­рожный мост со сварными фермами пролетом 12 м был построен в Рос­сии в 1932 г. Мост лейтенанта Шмидта — первый крупный цельносвар­ной мост в России (1939 г., Ленинград). Вторая мировая война нанесла громадный урон мостовому хозяйству России. Восстановление мостов велось в основном за счет применения металлических пролетных строений. Дефицит металла и слабые производственные мощности за­водов металлоконструкций побуждали к более широкому исполь­зованию железобетона. На начальном этапе применялись в основном монолитные пролетные строения, их пролеты не превышали 15 м, редко доходили до 27 м. Большие объемы строительства требовали новых ти­пов пролетных строений, способов их изготовления и монтажа, отве­чающих требованиям скоростного строительства. Этому в наибольшей степени соответствовали сборные типовые пролетные строения, изго­товляемые индустриальным способом. В конце 1940-х — начале 1950-х гг. в России внедряются идеи предварительного напряжения железобе­тонных конструкций, приведшие к созданию струнобетона. Появление предварительно напряженных конструкций открыло новые возможно­сти для использования железобетона в мостах больших пролетов.

Уникальным на долгие годы стал автодорожный мост через р. Волгу в Саратове общей длиной 2804,4 м и схемой разбивки на пролеты 4×20+106+3×166+106+26×70+520 м. Ширина проезжей части моста 12 м (рис. 1.27).

При строительстве железнодорожных мостов железобетон широко применяется в балочных типовых пролетных строениях с пролетами до 33 м. В 1960-е гг. строится много больших мостов через реки Волгу, Оку, Каму, Иртыш, Чумыш, Иню, Северную Двину и др., в том числе и на двухпутных участках, которые дополняют и сменяют старые пролет­ные строения. В ряду крупных, уникальных по конструкции и способам производства работ можно выделить железнодорожные мосты через р. Волгу у Астрахани, в Горьком и Ярославле, через р. Каму у Сарапула, р. Сев. Двину в Архангельске.

В начале 1960-х гг. для железнодорожных мостов появился новый тип балочных пролетных строений со сплошной стенкой. Разрабо­таны типовые проекты таких пролетных строений с пролетами до 66 метров.

Рис. 1.27. Мост через Волгу у Саратова из сборного железобетона (1965 г.)

Строители Байкало-Амурской магистрали (1974—1989) повторили путь российских первопроходцев — мостостроителей Великого Сибир­ского пути, возведя более 1200 искусственных сооружений, из них более 370 больших и средних мостов через полноводные и строп­тивые реки Сибири, топи и болота. На БАМе почти все средние и большие мосты — металлические, что объясняется неблагоприятными климатическими условиями для производства железобетонных работ. Но это уже другие металлические мосты. Ушли в прошлое кле­паные пролетные строения. Пролеты 33—55 м перекрываются сплош-

ностенчатыми балками, которые, правда, менее экономичны по расходу металла, чем сквозные фермы, но зато и менее трудоемки в из­готовлении и монтаже.

Современные сквозные пролетные строения представляют собой фермы с простой треугольной решеткой со стойками и подвесками, с параллельными поясами. Такие пролетные строения используются для перекрытия больших пролетов.

В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируется около 12 000 металлических мостов, в том числе 3500 мостов, пост­роенных по нормам 1907 г. и более ранним. Большие изменения про­изошли в области фундаментостроения и возведения опор мостов. До середины XX в. фундаменты опор больших и средних мостов глубокого заложения, сооружались с помощью кессонов или опускных колодцев. Этот способ — самый надежный, однако очень трудоемкий, а кессон­ный способ еще и вреден для здоровья людей. На устройство фунда­ментов кессонным способом приходится примерно половина затрат времени, труда и денежных средств от общих затрат на все сооружение. С 1960-х гг. опоры глубокого заложения сооружаются в основном на сваях-оболочках, представляющих собой цилиндрические конструкции диаметром 0,6—5 м, принудительно погружаемые в грунт мощными вибраторами. Изменились и конструкции надфундаментной части опор. Методы скоростного индустриального строительства породили множе­ство проектов сборных опор из мелких и крупных сплошнотелых, ко­робчатых и двутавровых блоков, из свай-оболочек и др. Надежность конструкций современных опор и фундаментов позволяет отказаться от устройства ледорезов. Конец XX в. для мостостроения стал периодом совершенствования технологий и перехода на индустриальные методы строительства.

Мосты — это лицо эпохи. Лицо России в этом смысле весьма при­влекательно. В последние годы ушедшего XX в. построено много уни­кальных мостовых переходов: через р. Амур в Хабаровске, р. Обь у с. Барсово, р. Каму в Перми, в городах Астрахани, Барнауле, Волгогра­де, Казани и др.

Уже в недалеком будущем мостостроителям России предстоит воз­вести мостовые переходы через р. Иртыш у Ханты-Мансийска, р. Амур у Благовещенска, р. Обь у Салехарда, р. Бузай у Астрахани, р. Лену у Якутска, через бухту «Золотой рог» во Владивостоке, а возможно, и че­рез проливы Невельского, Керченский, Лаперуза, Берингов и др.