Техника в ее историческом развитии

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Бурное развитие железнодорожного строительства, охватившего многие страны, оказало огромное влияние на мостостроение. Сооружение мостов стало важнейшей технической проблемой, в известной степени определявшей прогресс железнодорожного строительства и эффективность железнодорожного транспорта.

Особенно большие трудности приходилось преодолевать мостостроителям при перекрытии широких водных артерий. Среди крупных мостов необходимо назвать мост, которым была перекрыта река Рейп в районе Кельна, протяженностью 650 м. Через Дунай у Будапешта был построен мост длиной 970 м, на Волге под Сызранью — 1050 м и на Миссисипи в Сап Луисе 1070 м.

Увеличение пролетности проезжего строения вызвало необходимость снижения его погонного веса (т/м) и повышения сопротивляемости ветровым нагрузкам. Кроме того, увеличение за это время веса паровозов с 37 до 60 т и более и скорости движения поставило перед мостостроителями еще и проблему усиления проезжего строения [37, с. 82, 85; 38, с. 252].

Наконец, участившиеся катастрофы на мостах вызвали необходимость разработки научно обоснованных методов расчета, начавших вытеснять господствовавшие до того грубо эмпирические приемы. Особенно сенсационными были крушения мостов: в 1876 г. у города Аштабьюла через реку того же названия (США), в 1879 г. на реке Тэй у города Данди (Англия) и в 1891 г. через реку Бирс около деревни Менхенштейн (Швейцария) [39, с. 7—20, 24-311.

Причины разрушения мостов были различные. Нередко они были связаны с желанием проектировщиков и строителей сэкономить побольше материалов и денежных средств. Так, при сооружении Тэйского моста строители, стремясь сэкономить на опорах, которых этот мост при длине 3622,5 м насчитывал 83, нарушили проектные данные и увеличили длину ферм с 60 до 74,7 м. В результате того что в конструкцию ферм не были внесены необходимые изменения, мост па реке Тэй рухпул [39, с. 173].

Инженеры стремились увеличить пролети ость мостов. Обычно применяемая до того деревянная балочная ферма Тауна, которая в средней части пролета была значительно слабее, чем у точек опоры, оказалась непригодной при пролетах более 45 м, даже выполненных из металла. Большей устойчивостью обладала система Гау. Ее использование дало возможность построить через реку Лек у Квилентбурга (Голландия) мост пролетом 154 м. Этот мост положил начало строительству подобных конструкций, ставших известными во всех странах под названием голландской системы [37, с. 204].

Осуществленные строителями усовершенствования конструкции решетки не могли преодолеть основного недостатка балочного решения — ограниченность сопротивления поперечному изгибу. Построенный в в 1912 г. через реку Рейн у города Рурорта мост пролетом в 186 м оказался пределом [37, с. 210].

Дальнейшее развитие мостостроения стало возможным лишь на основе разработки принципиально новых конструкций: распорной арочной, висячей и консольной.

Железо позволило конструкторам отойти от традиционной формы арки в виде дуги окружности, подсказанной практикой строительства каменных мостов, и применять самые разнообразные очертания. Инженер Г. Эйфель, сыгравший большую роль в развитии металлического мостостроения, в поисках формы, наиболее соответствующей требованиям статики сооружений, на основе многочисленных исследований пришел к выводу, что наиболее рациональным профилем является параболический, и смело применил их в своих мостах в Рио-Кри и Дуро, а также в виадуке Гараби пролетом в 165 м, построенном в 1884 г. [37, с. 210—211].

Замена в 70-х годах XIX в. господствовавшего в арочном мостостроении чугуна сварочным железом позволила достигнуть пролетов 160 м, а с переходом на литое железо эта величина возросла до 205 м. Это было реализовано в 1898 г. при строительстве моста через Ниагару. В стремлении преодолеть зависимость арочных конструкций от прочных скалистых опор на берегах в арках применили затяжку. С ее помощью в 1915 г. пролет моста через Ист-Ривер у города Хэлл Кэйт достиг 390 м [37, с. 2121.

Однако решетчатая арка не устранила принципиального недостатка всех стержневых конструкций — гибкости их элементов, испытывающих продольное сжатие. А между тем катастрофа балочного Аштабьюльского моста обнаружила роковую роль недостаточной устойчивости на продольный изгиб сжатых раскосов и всего верхнего пояса. Это побудило инженеров обратиться к висячим решениям, в которых основные несущие элементы (цепи, ванты, тросы) работали в наибольшем соответствии со специфическим свойством железа, — лучше всего работать на чистое растяжение.

После крушения в 1854 и в 1864 гг. висячих мостов через Ниагару в инженерной среде началась дискуссия — можно ли эту систему применять в железнодорожном транспорте, где ее зыбкость явно не соответствует динамическому характеру больших нагрузок [40, с. 234—235]. И только исследования немецкого ученого К. Кульмана показали, что правильно подобранная ферма жесткости может открыть висячим мостам безопасный путь в железнодорожное строительство. Он подсчитал, что ферма должра иметь такое же поперечное сечение, какое потребовала бы конструкция обычного стержневого балочного моста, но для пролета вдвое меньшей величины.

Из действовавших мостов этого типа заслуживает внимания построенный в 1854 г. инженером Реблингом 200-метровый мост через Ниагару, в котором первоначальные деревянные двухъярусные фермы жесткости были заменены в 1877 г. железными. Но при перестройке в 1897 г. сочли целесообразным выполнить его в арочной системе [41, с. 141 —142].

Переход от клепаных вантов к плетенным из проволоки кабелям позволил тому же Реблингу в 1869 г. при сооружении Бруклинского моста (Нью-Йорк) увеличить его пролет до 486,5 м. Однако неуверенность и самого инженера и муниципалитета в прочности этого сооружения побудили ограничить транспортную нагрузку.

Большие пролетные возможности открывала консольная конструкция. Лежащая в ее основе идея увеличить пролет балки с опорой не на вертикальный устой, а на укрепленную на этом устое консоль ведет свою историю от плотников первобытного общества. В металлическом мостостроении ее использовал в 60-х годах XIX в. немецкий инженер Гербер [37, с. 212]. По этой системе англичане Беккер и Фаулер в 1883—1890 гг. построили мост через Фортский пролив. Опубликованная тогда же в журнале «Ин- женеринг» антропоморфная его схема дает ясное представление о механизме этого сооружения [38, с. 127—128]. Уложив 107-метровые балки на пару консолей выносом в 207 м каждая, они смогли получить пролет в 521 м. Его удалось превзойти только строителям такого же моста в Квебеке (Канада, 1916 г.) с выносом консолей 181 м и балкой 187 м [39, с. 47, 59].

Беккер и Фаулер воспользовались трубчатыми стержнями, но только не четырехгранного, как Стефенсон, а круглого сечения. Это были трубы диаметром 3,7 м, склепанные из толстых листов стали. Из них соорудили гигантские пилоны с симметрично приклепанными к ним огромными консолями [41, с. 124, 125; 42, с. 21, 22].  

Шедевр предыдущего периода — мост Роберта Стефенсопа «Британия», представлявший собой сплошную металлическую трубу прямоугольного сечения, обладал огромным удельным весом 12,5 т/м и предъявлял большие требования к опорам, испытывавшим нагрузку 81 т/м2. Это заставило впоследствии строителей заменить сплошную стенку решеткой, которая уменьшила оба весовых показателя почти вдвое. Основоположником новой системы стал английский инженер Бартои, который воспроизвел в металле, как уже отмечалось выше, мпогорешетчатую ферму Тауна при строительстве моста через реку Бойя около Дродхеда. Его мост положил начало победному шествию сквозной балочной конструкции [37, с. 202 — 203].

Стремление снизить вес мостов привлекло внимание инженеров к неразрезной, т. е. многоопорной, балке, к балочной ферме, которая давала экономию материала по сравнению с разрезной (двухопорной) балкой до 12%. Замечательным сооружением этой системы был уже упомянутый стефенсоновский мост «Британия», содержавший три промежуточные опоры.

Рост пролетности, даже сквозных стержневых мостов, обладавших меньшей парусностью, чем сплошные трубчатые, обострил необходимость учитывать ветровые нагрузки. До 70-х годов XIX в. считали, что для пролетов менее 60 м эти нагрузки не опасны и поэтому учитывать их необязательно. Катастрофа Тэйского моста показала роковую ошибочность недооценки этого [39, с. 7—20]. Хотя 35-метровые судоходные пролеты и были рассчитаны на ветровую нагрузку, но давление было принято всего лишь 47 кГ/м2. Между тем в день крушения при скорости ветра 144 км/ч его давление достигло 188 кГ/м2. И оно обрушилось па огромную поверхность опор (73 м2), ферм (320 м2) и поезда (110 м2). Тэйская катастрофа побудила вводить в конструкцию ферм поперечные скрепления, оказывающие сопротивление горизонтальным усилиям и предохраняющие сжатие пояса от бокового выгиба. После длительного периода эмпирических исканий, начавшихся под впечатлением этого события, немецкий теоретик Мюллер-Бреслау разработал приемы их точного расчета [40, с. 372].

С утяжелением подвижного состава и повышением скорости транспорта возникла проблема упрочнения конструкции. Было обращено внимание на механические качества материалов, подбор конструктивных элементов и композиций в соответствии с предполагаемыми нагрузками, повышение надежности монтажных соединений и предварительные испытания сооружений.

Значение всего этого наглядно иллюстрируется результатами технических экспертиз крушения Менхенштейнского моста [39, с. 28—30]. Одной из причин катастрофы было то, что вместо металла с прочностью 3200 кГ/см2 и пределом упругости 1500 кГ/см2, требовавшегося по расчетам, применяли материал соответственно с показателями 2600 кГ/см2 и 1000 кГ/см2. Кроме того, надежность заклепочных соединений подсчитали брутто, т. е. без вычета ослабляющих конструкцию отверстий под заклепки. Сечение средних сжатых раскосов, составленных из двух расположенных крестообразно уголков, и их эксцентрическое, а не центровое присоединение к поясам, игнорирование знакопеременности нагрузки (чередующиеся напряжения на растяжение и на сжатие) и слабое сопротивление тонких сжатых стержней продольному изгибу привели к тому, что запас прочности снизился до 75% от требуемой в те времена нормы. Наконец, испытание было проведено не до введения моста в эксплуатацию, а уже через несколько месяцев после этого. Более того, его осуществляли не статической нагрузкой 6 паровозами, а однократным пропуском поезда по расписанию на обычной эксплуатационной скорости.

Динамический характер нагрузки железнодорожных мостов обнаружил непригодность болтового соедииеиия деталей, которое из-за быстроты своего выполнения получило в первое время преобладание над заклепочным соединением. Мостовые катастрофы 70-х годов XIX в. происходили под влиянием динамических (удары) нагрузок подвижного состава на несущие элементы мостов. Это заставило вернуться к предпочтенному Стефенсоном заклепочному шву, несмотря на то что он был и более трудоемким и более медленным. Однако исследования нашего соотечественника Д. И. Журавского показали пути усовершенствования, которые сдег лали заклепочный шов господствующим в мостостроении вплоть до применения в этой области несколько позже метода сварки [40, с. 174]. , Быстрое развитие милитаризма, начавшееся с франко-прусской войны 1870—1871 гг. и достигшее своего апогея к первой империалистической войне, поставило перед железнодорожными мостостроителями новую задачу—разработку сборно-разборных конструкций военного назначения. Наиболее совершенными оказались решения строителя знаменитой парижской башни, инженера Г. Эйфеля, который использовал ферму с треугольной решеткой. Однако наш отечественный инженер Е. О. Патон разработал более легкую, более дешевую и быстрее выполнимую двух- решетчатую конструкцию. По сравнению с фермой Эйфеля она давала экономию на количество основных компонентов в 2,3 раза, на мелких соединительных частях в 7,2 раза, на болтах 25%. Вес ее пролетного строения составлял 52% от веса конструкции, предложенной Эйфелем [23, с. 70].

На развитие инженерной науки оказали большое влияние мостовые катастрофы. Так, швейцарское правительство после разрушения Мен- хенштейнского моста привлекло к исследованию причин этой катастрофы таких выдающихся специалистов по строительной механике, как ученые Риттер, Тетмайер и Энгессер.

Построенный немецким инженером Ленце почти одновременно со сте- фенсоиовской «Британией» трубчатый мост через Вислу в Диршау имел уже не сплошную, а стержневую конструкцию 141, с. 117—118]. Его сооружение привлекло внимание инженеров к методу расчета продольной устойчивости длинных гибких элементов малого сечения. Опытные исследования англичанином Ходкинсоном этой деформации обнаружили, что формула продольного изгиба, разработанная еще в 1757 г. Эйлером, действительна только для стержней большой длины, а при малых длинах дает неточные результаты [40, с. 4(5, 252—253]. Анализ катастрофы Менхен- штейнского моста показал, что действительное напряжение составило всего 78% найденного расчетом по этой формуле. Английский ученый Макуорн Ранкин в 1899 г. проанализировал формулу Эйлера и предложил свою редакцию. «Вышедшие некоторое время тому назад из употребления,— писал он про формулы, предложенные Тредгольдом и Ходкинсоном,— ныне пересмотрены М. Льюисом Гордоном, который путем сопоставления их с результатами испытаний Ходкинсона нашел значения входящих в них постоянных» [40, с. 253]. Швейцарский ученый Л. Тет- майер, продолжая эти исследования, установил в 1901 г., что формулой Эйлера можно пользоваться только в тех случаях, когда гибкость, т. е. отношение свободной длины стержня к радиусу инерции его сечения превышает 110. Для более же коротких образцов предложил другую формулу, которая впоследствии нашла широкое применение [40, с. 2531.

Большой вклад в обоснование причин продольного изгиба сделал в 1892 г. наш отечественный инженер Ф. С. Ясинский. Исследуя происшедшие тогда крушения открытых мостов, т. е. мостов, не имевших верхних горизонтальных связей, он заинтересовался влиянием растянутых раскосов на сжатие в многорешетчатых мостах, имевших две системы раскосов, одна из которых работала на сжатие, а другая на растяжение. Результаты своих исследований он опубликовал в 1893 г. в труде «Опыт развития теории продольного изгиба» [40, с. 3531. Ф. С. Ясинский составил таблицы, которые использовались до 1939 г., когда академик А. Н. Дин- ник предложил новые.

По выявлению причин менхенштейнской катастрофы был приглашен в качестве эксперта А. Риттер, работавший в то время над упрощением предложенного его соотечественником И. В. Шведлером способа анализа ферм, получившего название метода сечений [40, с. 230, 231, 364]. Этот способ состоял в вычислении изгибающего момента и перерезывающей силы в трех взаимно пересекающихся стержнях (двух поясов и раскоса). Он давал возможность установить границы того участка фермы, где требуются два раскоса, если эти раскосы могут работать лишь на одно растяжение или на одно сжатие. Риттер нашел, что для вычисления усилий в стержнях, перерезываемых этим воображаемым сечением, достаточно составить и решить уравнения моментов только двух стержней и трех пересекаемых. При этом оказывается достаточным решать каждый раз лишь одно уравнение с одним неизвестным.

Немецкий ученый Ф. Энгессер, работая над границами применения формулы Эйлера, пришел к выводу, что можно расширить эти границы, если заменить в ней постоянный модуль упругости переменной величиной, которую он назвал касательным модулем упругости. Эта величина, в свою очередь, выражала отношение напряжения материала к относительной его деформации, т. е. изменению длины стерл^ня по сравнению с его первоначальными размерами [40, с. 351, 352, 356—359]. Касательный модуль дал Энгессеру возможность вычислять критические напряжения для стержней из материалов, «не подчиняющихся» закону Гука, а также из строительной стали при напряжениях выше предела упругости. В связи с этим предложением у Энгессера возникла дискуссия с Ясинским, который утверждал, что сжимающие напряжения на выпуклой стороне стержня при его выпучивании уменьшаются и что испытания, проведенные Баушингером, доказывают необходимость пользоваться в этой области поперечного сечения постоянным модулем упругости, а вовсе не касательным модулем [43, с. 214]. Этот спор закончился тем, что Энгессер признал правоту Ясинского, переработал свою теорию и ввел для двух областей поперечного сечения два различных модуля. Исследуя влияние поперечной силы на величину критической нагрузки в стойках, он нашел, что эта величина для сплошных и сквозных решений различна. В сплошных ее влияние мало и им можно пренебречь, а в сквозных оно может оказаться значительным. Энгессер вывел формулы для определения того отношения, при котором в каждом данном случае следует уменьшать значения эйлеровой критической нагрузки для того, чтобы учесть гибкость элементов решетки.

В истории железнодорожного мостостроения этого периода особенно поучительно двукратное обрушение квебекского консольного моста через реку Св. Лаврентия. Обе эти катастрофы произошли во время монтажа сооружения: первая в 1907 г., а вторая в 1916 г. в момент укладки соединительной балки среднего пролета [39, с. 47—52, 59—61].

Основной причиной первой катастрофы были ошибки, допущенные при проектировании. Проектировщики, рассчитав вес консолей и подвесного пролета на 16% меньше действительного, не проверили свое допущение. При этом конструктивные коэффициенты для определения собственного веса, соответствующие проектному пролету 488 м, оставили без изменения, несмотря на увеличение при перепроектировке этой величины до 549 м. Кроме того, тогда еще не знали способа расчета решетки составного элемента, и поэтому решетка нижнего пояса оказалась неспособной соединить четыре мощных ребра в одно жесткое целое. Таким образом, неправильный расчет сжатых частей и неумение рассчитать решетку составных стержней, работающих на продольный изгиб, привели к тому, что реальное напряжение оказалось на 11% выше расчетного.

Причиной второй катастрофы было разрушение одного из балансиров, поднимавших подвесную ферму, вызванное тем, что производители работ небрежно установили этот механизм на конце консоли и он под нагрузкой 2600 Т (вес половины фермы) соскользнул со своей опоры.

В России развитие железнодорожного мостостроения началось в 70-х годах, когда Н. А. Белелюбский стал проектировать мосты для Николаевской железной дороги [37, с. 206, 207]. Взяв за образцы голландские решения, он ввел в них крупные усовершенствования. Замена в первой панели нисходящего раскоса, ослабляющего опорный узел, восходящим раскосом, укрепила околоопорную часть фермы. Созданные им мосты на этой дороге, а также через Оку (около Алексина), Волгу (у Сызрани), через Белую (Уфа), и, наконец, на Сибирской железной дороге, положили основание русской школе мостостроения.

Другим замечательным отечественным мостостроителем этой эпохи был Л. Д. Проскуряков, соорудивший мост через Нарву, Западный Буг, Волхов, Оку, Амур, Енисей и Зею. Он впервые у нас в стране применил мостовые фермы с криволинейным верхним поясом и упрощенной шпрен- гельной решеткой. Всемирную известность получил построенный им в 1896 г. Енисейский мост. Проскурякову принадлежит заслуга использования в России мостов арочной конструкции с затяжкой. Такие мосты успешно применяли на железных дорогах Германии. Шедевром Проскурякова является сооруженный им в 1904 г. мост окружной железной Дороги через Москву-реку [37, с. 209—211].

Первый консольный мост был построен у нас в 1896 г. через Днестр около с. Рыбницы Богуславским. Наибольший пролет имел Кичкасский мост через Днепр, сооруженный в 1906 г. инженером Лата. Невыполненный проект грандиозного моста через Волгу около Саратова был разработан Г. П. Передернем [37, с. 214].

Висячих железнодорожных мостов у нас в стране не строили. Возможно, это было вызвано катастрофами, которые происходили в Европе и в Америке в 50-х годах XIX в. Но под гужевой транспорт у нас успешно в течение всего этого периода эксплуатировали мосты в Киеве через Днепр и у города Острова через реку Великую с пролетами в свету 134 и 93 м [39, с. 76-78].