Балочные мосты со сквозными фермами: расчет и типы

Конструкции балочных мостов со сквозными фермами представляют собой важнейший этап в эволюции инженерно-строительного искусства, заложивший основы для современного мостостроения. Такие сооружения выступают историческими и технологическими предшественниками большинства современных мостовых систем. Главная геометрическая и механическая особенность решетчатых ферм заключается в их высокой несущей способности, достигаемой за счет естественной жесткости треугольной геометрической неизменяемости. В зависимости от характера и векторов динамического и статического воздействия на систему, составляющие элементы фермы переносят сжимающие и растягивающие нагрузки. При этом силовые напряжения распределяются последовательно, предотвращая одновременные критические деформации в одной зоне.

С точки зрения строительной mechanics и сопротивления материалов, стержневые элементы, подвергающиеся силовому сжатию, проектируются с увеличенным поперечным сечением. Это позволяет им успешно сопротивляться потере устойчивости при продольном изгибе (эйлеровскому продольному изгибу). В свою очередь, сквозная ферма признана одной из самых эффективных пространственно-стержневых систем: ее сооружение требует относительно малого расхода металлопроката или древесины при сохранении оптимального соотношения прочности и массы.

Рис. 1. Мост через реку Колорадо (США) — классический пример применения балочных мостов со сквозными фермами

Историческая эволюция и типология решетчатых ферм. 1. Деревянные фермы и наследие Возрождения. Исторически первые балочные мосты со сквозными фермами возводились из древесины. Описание и расчет фундаментальных принципов разделения нагрузок в сквозных деревянных системах восходят к эпохе Возрождения. Знаменитый итальянский архитектор и инженер Андреа Палладио (1508–1580) в своих трудах подробно описал и наглядно представил треугольную геометрию стержневых ферм. В его проектах мостовой пролет разделялся на три функциональные секции: наклонные балки опирались одним концом на пяту моста, а противоположным — поддерживали центральную горизонтальную секцию, равномерно распределяя вектор силы тяжести.

Рис. 2. Деревянные фермы эпохи Возрождения и чертеж Андреа Палладио

2. Балочная ферма Пратта. Дальнейшее развитие инженерной мысли в XIX веке привело к стандартизации решетчатых систем. В 1844 году американские инженеры Томас Пратт и Кэйлеб Пратт патентно оформили конструкцию, получившую название ферма Пратта (а также её модификация — низкая ферма Пратта). В данной конфигурации раскосы (диагональные балки) ориентированы по направлению к центру моста и работают исключительно на растяжение, тогда как вертикальные стойки воспринимают сжимающие усилия. Такое распределение позволило сократить длину сжимаемых элементов и существенно уменьшить риск продольного изгиба.

Рис. 3. Конструктивная схема низкой фермы Пратта

3. Неразрезные и многорешетчатые фермы. Для перекрытия длинных пролетов и мостовых переходов через широкие реки стали применяться неразрезные фермы. Конструкция подобных сооружений создается путем многократного повторения единых типовых элементов: вертикальных стоек, горизонтальных поясов и диагональных раскосов. Ярким примером воплощения данной технологии является мостовое строение и пилоны знаменитого виадука Крамлин на юге Уэльса.

Разновидностью данной концепции стала многорешетчатая ферма, в которой ключевым элементом является крестовое переплетение многочисленных диагональных раскосов, размещенных между прочными верхними и нижними горизонтальными поясами. С точки зрения строительной физики, многорешетчатая ферма функционирует как единая мощная составная балка, покоящаяся на опорах и распределяющая эксплуатационную нагрузку по всей сеточной структуре.

Рис. 4. Виадук Крамлин в Уэльсе с применением неразрезных и многорешетчатых ферм

Рис. 5. Внешний вид и структура многорешетчатой фермы

Специализированные и гибридные мостовые системы. Линзообразная ферма. Особое место в истории инженерного искусства занимает линзообразная ферма, названная так из-за характерной внешнесимметричной формы, создаваемой выгнутыми верхними и нижними поясами. Выдающийся британский инженер Изамбар Кингдом Брюнель успешно реализовал данный подход при проектировании и строительстве моста Роял Альберт (построен в 1859 году). В этой системе каждый пролет состоит из:

- Верхнего пояса, выполненного в виде пустотелой металлической балки трубчатого сечения, воспринимающей сильное напряжение сжатия;
- Нижнего пояса, состоящего из гибких металлических цепей, испытывающих напряжение растяжения.

Рис. 6. Мост Роял Альберт с линзообразными фермами Изамбара Кингдома Брюнеля

Динамические грузовые нагрузки и подъемные механизмы. Балочные мосты со сквозными фермами демонстрируют высокую надежность при воздействии жестких динамических нагрузок, что делает их идеальными для железнодорожного транспорта и перемещения тяжелогрузных составов. В конструкциях вертикально-подъемных мостов сквозная ферма противостоит переменной нагрузке по всей длине пролетного строения, эффективно перенаправляя возникающие усилия в массивные опоры-пилоны, расположенные по обеим сторонам мостового перехода.

Рис. 7. Схема вертикально-подъемного моста с опорами-пилонами и подвижной секцией

Гибридные фермы. В сложной градостроительной и топографической обстановке инженеры нередко комбинируют несколько конструктивных схем в рамках одного сооружения. Гибридные фермы объединяют элементы арочных, шпренгельных и консольных систем. Примером такой интеграции является исторический мост между штатами Кентукки и Индиана через реку Огайо (построен в 1886 году), в котором сочетаются стальные и деревянные элементы различных типов ферм для достижения максимальной устойчивости пролетов.

Рис. 8. Гибридный мост через реку Огайо между штатами Кентукки и Индиана

Заключение. Использование сквозных ферм в балочных мостах стало фундаментальным шагом в развитии теории сооружений. Грамотное распределение силовых векторов, оптимизация формы поясов и раскосов, а также применение треугольной геометрии позволили создавать прочные и экономичные мостовые переходы, способные выдерживать значительные статические и динамические нагрузки. Несущие принципы, заложенные Андреа Палладио, братьями Пратт и Изамбаром Брюнелем, продолжают активно использоваться и совершенствоваться в современном инфраструктурном строительстве.

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.