Эволюция мостостроения: материалы, типы и физика конструкций

Мостостроение как научно-инженерная дисциплина прошла длительный путь развития — от примитивных деревянных перекладин и каменных сводов до высокотехнологичных пролетных строений из напряженного железобетона и высокопрочной стали. Фундаментальный прорыв в теории и практике возведения искусственных сооружений произошел в XIX веке. Он был обусловлен промышленной революцией, развитием сопромата и строительной механики, а также началом массового производства портландцемента и конструкционной стали.

Революция строительных материалов в XIX веке. До начала индустриальной эры ключевыми материалами служили природный камень и древесина. Однако камень, обладая великолепной сопротивляемостью сжимающим нагрузкам, крайне слабо работает на изгиб и растяжение, что существенно ограничивало длину пролетов. Древесина же подвержена гниению и не обладает достаточной несущей способностью для пропуска тяжелых железнодорожных составов.

Изобретение портландцемента полностью изменило технологию возведения фундаментальных искусственных сооружений. Цемент стал базовым вяжущим компонентом бетона — искусственного камня, которому можно придать любую геометрическую форму непосредственно на строительной площадке при заливке в опалубку.

Монолитный бетон после завершения процесса гидратации и набора прочности демонстрирует высочайшую прочность на сжатие. Тем не менее его прочность на растяжение остается критически низкой и составляет лишь 10–15% от прочности на сжатие. Решением этой проблемы стало создание железобетона, где растягивающие напряжения воспринимает стальная арматура.

Параллельно развивалось металлургическое производство. Конструкционная сталь обладает уникальной изотропностью и одинаково успешно выдерживает колоссальные напряжения на сжатие и растяжение. Это позволило инженерам проектировать сквозные пространственные фермы, обладающие значительно меньшей собственной массой и кратно большей несущей способностью по сравнению с классическими деревянными или чугунными балками. Освоение технологии волочения позволило создать высокопрочные стальные тросы (канаты), способные воспринимать гигантские растягивающие усилия, что сделало возможным перекрытие ранее недоступных пролетов.

Рис. 1. Конструктивные типы мостов: балочные (А), арочные (Б), висячие (В) и консольные (Г)

Классификация и механические свойства мостовых конструкций. В современной практике мостостроения выделяют четыре базовых типа конструктивных схем, каждая из которых характеризуется особым распределением внутренних усилий под воздействием постоянных и временных нагрузок.

1. Балочные мостовые конструкции. Балочный мост — это наиболее распространенный и исторически ранний тип пролетного строения. Конструктивно он представляет собой изгибаемую балку с мостовым полотном (настилом), перекрывающую расстояние между двумя или несколькими опорами (быками и устоями).

Под действием собственного веса и полезной нагрузки в поперечном сечении балки возникает изгибающий момент. При этом верхний пояс балки испытывает сжатие, а нижний пояс — растяжение. В опорных зонах возникают значительные сдвиговые (касательные) напряжения. Для оптимизации распределения материала и снижения собственного веса пролета балки изготавливают различного сечения:

- Полые коробчатые балки (обладают высокой прочностью при кручении);
- Рамные конструкции (обеспечивают жесткое сопряжение пролета с опорами);
- Сквозные стальные фермы (формируются из стержневых элементов, работающих преимущественно на осевое сжатие или растяжение).

2. Арочные системы. Арочный мост представляет собой распорную систему, в которой несущая конструкция имеет криволинейную форму (арку). Главное преимущество классической арочной схемы заключается в том, что возникающий вертикальный изгиб трансформируется в продольный распор, передающийся на массивные устои.

При правильном расчете геометрической оси арки (по линии давления) элементы конструкции работают практически исключительно на осевое сжатие, а растягивающие напряжения нейтрализуются. Это позволяет эффективно использовать неармированный бетон и каменную кладку.

Применение железобетона позволило снизить материалоемкость арок, возводить эстетичные тонкостенные конструкции и существенно сократить сметную стоимость строительства. По этой причине большинство современных арочных пролетов средней длины возводятся именно из железобетона.

3. Висячие и вантовые мосты. Висячий мост состоит из несущих элементов (главных кабелей или цепей), пилонов (высоких башен) и подвешенного к канатам пролетного строения с проезжей частью.

Главные кабели изготавливаются из параллельно уложенных проволок из высокопрочной стали, работающих строго на растяжение. Кабели перекинуты через вершины пилонов и жестко анкеруются в массивных береговых массивах. При этом сами пилоны испытывают мощные сжимающие нагрузки. Пролетное строение, выполняемое в виде тонких балок жесткости или ферм, подвешивается к главным канатам с помощью вертикальных подвесов с небольшим шагом по всей длине моста.

Разновидностью висячих систем являются вантовые мосты, где пролетное строение соединяется с пилоном напрямую наклонными стальными тросами — вантами.

4. Консольные системы. Консольный мост поддерживается двумя или более консольными балками (плечами), каждая из которых жестко защемлена или шарнирно зафиксирована только на одном конце (на промежуточной опоре).

В отличие от классической шарнирно-опертой балки, работающей на изгиб со сжатием вверху и растяжением внизу, консоль демонстрирует противоположное распределение напряжений:
- Верхний пояс консоли подвержен эпюре растяжения;
- Нижний пояс консольного плеча испытывает сжатие.

Комбинированные и специализированные мостовые схемы. На практике инженеры часто применяют комбинированные системы, объединяющие достоинства различных конструктивных типов.

Ярким примером служит натяжной хордовый (вантово-балочный) мост. В нем длинная непрерывная балка (чаще всего пространственная стропильная ферма) поддерживается наклонными стальными канатами, закрепленными на вершине одного пилона или распределенными по двум и более башням.

Классическая схема крупного консольного моста обычно не является непрерывной. Между двумя консольными плечами, опирающимися на быки, оставляют пролетный зазор, который перекрывают легкой подвесной балкой. На этом принципе построен знаменитый железнодорожный мост через Ферт-оф-Форт в Шотландии, где три главных элемента представляют собой стальные консольные фермы.

Особую категорию составляют разводные мосты, необходимые для обеспечения судоходства на узких фарватерах. Так, всемирно известный Тауэрский мост в Лондоне оснащен подъемными крыльями, работающими по противовесному консольному принципу, а вершины его башен соединены верхней пешеходной фермой, принимающей на себя распорные усилия.

Инженерно-геологические основы: фундаменты и основания опор. Мостовое пролетное строение является лишь верхним элементом сложной инженерной системы. Без надежного фундамента и правильной заделки опор (быков и устоев) сооружение неизбежно потеряет устойчивость и обрушится.

Современные мосты возводятся на мощных железобетонных фундаментах, опирающихся, как правило, на скальное основание. При проектировании подземной и подводной частей инженеры-геотехники обязаны рассчитывать широкий спектр деструктивных факторов:

- Размывающее действие гидродинамического руслового потока;
- Динамические и статические нагрузки от ледохода;
- Сейсмические подвижки грунта и сейсмоакустические волны при землетрясениях.

Если прочные скальные породы залегают на значительной глубине, применяют глубокие заложения: фундаментами служат забивные или буронабивные сваи, опускные колодцы и кессоны, погружаемые сквозь слабые наносные породы до несущего подпочвенного слоя.

Исторический пример: Консольный мост в Калькутте (Хонра). Практическим воплощением сложных методов подземной геотехники и расчета консольных систем стал консольный мост через реку Хугли в Калькутте (мост Хаора), открытый для эксплуатации в 1943 году.

На момент постройки он занимал пятое место в мире по длине консольного пролета (453 метра). Инженерная сложность проекта заключалась в крайне неблагоприятных геологических условиях: плотные скальные породы залегали на недосягаемой глубине, а верхние слои были представлены мощной толщей наносного песчаного грунта.

Для возведения двух главных монументальных опор инженеры осуществили проходку 21 вертикального опускного ствола (кессона). Погружение велось сквозь неустойчивые пески до достижения водонепроницаемого слоя плотной глины, обеспечившего необходимую несущую способность основания. Мост Хаора до сих пор остается одним из самых загруженных консольных мостов в мире, демонстрируя высочайшую надежность правильно рассчитанных стальных конструкций и глубоких свайно-кессонных фундаментов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Эдвард Денисон, Йан Стюарт и др.

Источник: Как читать мосты

Данные публикации будут полезны студентам строительных и инженерных специальностей, начинающим специалистам в области гражданского проектирования и мостостроения, а также всем, кто интересуется историей архитектуры и развитием транспортной инфраструктуры.