Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

15.06.2016

Использование металла в качестве строительного материала имеет давнюю историю, тесно связанную с развитием производительных сил общества, накоплением знаний в области материаловедения и металлургического производства. Еще задолго до нашей эры (н.э.) литую бронзу и листовую медь использовали при постройке сооружений в древних государствах Междуречья, Персии, Египте и Малой Азии. Имеются упоминания о бронзовых деталях, применявшихся, в частности, на мосту Элия через реку Тибр в Риме, построенном Месиусом Рустикусом в 136 г. н.э. Однако вплоть до XVIII в. металл оставался, главным образом, материалом деталей отдельных скреплений несущих конструкций мостов, а также механизмов разводных мостов.
Подлинный переворот в использовании металла и интенсивное мостостроение связаны с эпохой промышленной революции в Англии и других передовых странах Европы второй половины XVIII в. Индустриализация производства, развитие металлургии способствовали получению сравнительно дешевого и однородного по качеству чугуна, пригодного для изготовления крупных отливок сложной формы.
По-видимому, первый чугунный арочный мост был построен через реку Северн в Коулбрукдейле (Англия) в 1779 г. Абрахамом Дэрби. Мост имел один пролет длиной 31 м. Своими формами (полуциркульными арками) он напоминал каменные и деревянные мосты, строившиеся до этого. В 1796 г. в Сандерленде (Англия) возведен арочный чугунный мост, имевший пролет длиной 72 м и стрелу подъема арок 13,65 м.
В дальнейшем, главным образом в первой половине XIX в., арочные чугунные сооружения строят как под шоссейную, так и под железную дороги. Их конструкции претерпевают ряд изменений: появляются трубчатые арки с эллиптическим и круглым поперечными сечениями, из элементов двутаврового профиля, соединяемых болтами, и др. Насколько известно, пролет мостов этого типа не превосходил 72 м.
Спустя всего три года после строительства моста через реку Северн русским изобретателем-самородком И.П. Кулибиным был предложен проект металлического моста через реку Неву в г. Санкт-Петербурге. Вслед за этим в 1780-е гг. по проектам Ч. Камерона, Дж. Кваренги, К. Росси, И.Е. Старова, В.И. Баженова и других зодчих начинается строительство замечательных по своей архитектуре чугунных мостиков в парковых ансамблях Царского Села и Павловска. Архитектором В.И. Гесте в начале XIX в. были построены в г. Санкт-Петербурге шесть городских чугунных арочных мостов пролетами от 15 до 32 м. В то время надежной конструкцией считалось использование в арках литых двутавровых секций или ребристых блоков-ящиков (рис. 1.1), скрепляемых болтами, со свинцовыми прокладками в швах. На этой основе в 1807 г. В.И. Гесте разработал «образцовый» проект чугунных арок — первый в истории типовой проект металлического моста.
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

В 1850 г. заканчивается строительство крупнейшего для своего времени первого постоянного моста через реку Неву — Николаевского (Благовещенского). Он имел семь пролетов длиной от 32,6 до 47,2 м, перекрытых чугунными арками, и один разводной пролет длиной 22 м (рис. 1.2). Мост был построен инженером С.В. Кербедзом.
XIX в. вошел в историю как век «железный», характеризующийся появлением и бурным развитием железных дорог. Усиленное строительство большепролетных мостов через многоводные реки заставило задуматься о выборе системы металлического пролетного строения, рассчитанного на воздействие высоких динамических нагрузок подвижного состава. Мостостроители обратили внимание на балочную систему, выгодную отсутствием распора при высоких опорах и слабых грунтах.
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

Небольшие мостики из чугунных балок пролетами до 20 м входят в обиход с самого начала строительства английских и французских железных дорог. Для увеличения перекрывающей способности их снабжали усиливающей конструкцией в виде шпренгеля. Элементы, работавшие в нем на растяжение, изготавливали из круглого или полосового железа (рис. 1.3). Однако недостаточные механические свойства не позволили использовать чугун в элементах, работающих на изгиб и растяжение, и он не получил распространения в пролетных строениях крупных мостов.
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

Первым большим балочным железнодорожным мостом из металла считается знаменитый мост Британия, возведенный известным инженером Робертом Стефенсоном в 1850 г. через Менейский залив в Англии (рис. 1.4). Он состоял из двухпролетных неразрезных балок пролетами по 140 и 70 м (всего четыре). Поперечное сечение пролетного строения имело вид замкнутой прямоугольной трубы, внутри которой двигались поезда.
Возможность устройства большепролетных трубчатых балок на мосту Британия тоже была доказана опытами, произведенными Стефенсоном, Фейрберном и Гудкинсоном над моделями трубчатых балок.
В середине XIX в., особенно в Англии, была популярна идея сооружения железных мостов из балок трубчатого сечения. В 1849 г. Фаулером возведен Торксейский мост через Трент по неразрезной схеме 2х39,62 м. Другой мост с трубчатыми балками построен по проекту Стефенсона в США через реку Св. Лаврентия в 1860 г.
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

Наилучшую форму трубчатых балок в то время отыскивали исключительно опытным путем. Назначение частей сооружения и их формы для строителей тогда не были достаточно ясны, и они лишь по интуиции, иногда ценой ошибок, находили правильные формы.
Одновременно с сооружением балочных мостов трубчатого сечения со сплошной стенкой шла работа в области сооружений с решетчатыми фермами. Первые из них были явным подражанием многорешетчатым деревянным фермам Taуна, иногда Гау, как по внешнему очертанию, так и по некоторым конструктивным деталям. Можно отметить два больших железнодорожных моста такой системы через реки Вислу в Диршау и Ногат в Мариенбурге (оба — 1857 г.). Первый из них имел шесть пролетов по 131 м, второй — два по 103 м.
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

В 1845 г. бельгийским инженером Невиллем были предложены и в некоторых мостах внедрены фермы с простой треугольной решеткой. Этот тип ферм, улучшенный английским инженером Уорреном (введение болтовых узлов и др.), был перенесен впоследствии в США (рис. 1.5). Там же применяли различные типы ферм Уипла, Пратта, Поста, Финкла и др.
Первый в России металлический балочный мост по неразрезной схеме 2х55,3 м через реку Лугу под железнодорожную нагрузку (1857 г.) построил С.В. Кербедз, внеся в его конструкцию ряд улучшений по сравнению с известными в то время типами балочных металлических ферм (рис. 1.6). Впоследствии (в 1870—1880-е гг.) по проекту Н.А. Белелюбского на первой в стране железнодорожной магистрали Санкт-Петербург- Москва деревянные пролетные строения с фермами Гау пролетами 54,41 м, 61,17 м и др. заменили на соответствующие металлические.
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

Заметим, что для больших мостов середины XIX в. употребляли уже не чугун, а сварочное железо, изготавливавшееся в пудлинговых печах. Сварочное железо существенно лучше чугуна отвечало требованиям мостостроения, но все же пудлингование не позволяло получать материал с однородными структурой и свойствами. Позднее (с 1865 г.) появились способы получения литого железа (т.е. фактически стали) в бессемеровских и томасовских конверторах, а также в мартенах. Это позволило удешевить металл, улучшить его свойства, расширить сортамент, увеличить производительность металлургических заводов. В 1874 г. американским инженером Идсом впервые использована легированная сталь с добавкой хрома при сооружении городского моста в Сент-Луисе.
Во второй половине XIX в. началось интенсивное развитие теоретических наук, в том числе сопротивления материалов и статики сооружений. Появляются методы расчета ферм, становятся ясными назначение и роль их отдельных элементов. К числу деятелей науки и инженерного искусства, внесших большой вклад в создание теории расчета мостов, можно отнести Э. Винклера, О. Коши, Г. Ламэ, О. Мора, Г. Мюллера-Бреслау, М. Навье, С.Д. Пуассона, А. Риттера, Б. Сен-Венана, в России — С.И. Белзецкого, Э.М. Зубова, Д.И. Журавского, Л.Ф. Николаи, Л.Д. Проскурякова, Г.С. Семиколенова, Ф.С. Ясинского и др.
Расчетные методы позволили синтезировать новые системы мостов. В частности, инженеры обратили внимание на балочно-консольную систему, увлечение которой привело к тому, что в одной лишь Германии были предложены различные консольные фермы Шведлера, Паули, Риттера, Гербера, Кюблера, Финка, Лозе, Майера и др. Консольные мосты отличались рациональностью, простотой и ясностью работы конструкции. Их стали строить довольно часто.
Апофеозом применения балочно-консольной системы становится строительство в 1890 г. Фаулером и Беккером грандиозного моста через Фортский залив в Шотландии, имевшего наибольшее расстояние между опорами 521,24 м. А в 1917 г. был возведен Квебекский мост через р. Св. Лаврентия в Канаде с рекордным по длине пролетом 549 м (рис. 1.7).
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

Итак, к началу XX в. в основном завершается процесс формирования современных систем металлических мостов. В решетчатых фермах отчетливо наблюдается переход на простые решетки. Сварочное железо повсеместно вытесняется литым, болтовые узлы уступают место заклепочным соединениям. С 80-х гг. XIX столетия начинается эра типового проектирования стальных решетчатых пролетных строений железнодорожных мостов, продолжающаяся по сей день.
Пионером этого направления (1884 г.) стал знаменитый русский мостостроитель Н.А. Белелюбский. Им же спроектировано и возведено большое число уникальных сооружений, в том числе Александровский мост через реку Волгу у г. Сызрань на Самаро-Златоустовской железной дороге. Мост, построенный в 1880 г., состоял из 13 пролетов по 110,7 м, его общая длина — 1485 м (рис. 1.8). По тем временам это был самый длинный мост в Европе.
Особого внимания заслуживает железнодорожный мост через реку Енисей, пролет которого достигал 144 м. По данному показателю он был первым в России. Автор проекта профессор Л.Д. Проскуряков использовал треугольные фермы со шпренгельной решеткой, что позволяло перекрыть значительные пролеты балочной системы. Модель Енисейского моста экспонировалась на Всемирной выставке в Париже в 1900 г., где удостоилась золотой медали. Вообще авторитетным ученым построено большое число уникальных сооружений, в том числе мосты через реки Амур, Москву (у Лужников), а также предложены передовые для своего времени типовые пролетные строения железнодорожных мостов с треугольной решеткой и полигональными главными фермами.
Краткие исторические сведения о развитии металлических мостов

Значительным достижением XX в. можно считать внедрение электросварки в мостостроении. Сварные мосты в бывш. СССР начали сооружать с 1931 г. К первым из них относятся железнодорожный мост разработки ЦИС HKIIC пролетом 12 м с решетчатыми фермами, а также автодорожный пятипролетный мост из разрезных сплошностенчатых балок с наибольшим пролетом 20 м. Созданию сварных мостов мы обязаны, в первую очередь, трудам Г.А. Николаева, Н.О. Окерблома, Е.О. Патона, Г.П. Передерия и многих других крупных ученых.
Заводские технологии изготовления сварных пролетных строений отработаны практически для любых конструкций. Однако освоение сварки в мостостроении происходило с переменным успехом. В результате широких исследовательских работ в 1940 —1950-х гг. было установлено, что более предпочтительно применение монтажной электросварки в автодорожных мостах различных систем, нежели в железнодорожных.
Внедрение электросварки позволило синтезировать новые формы пролетных строений, которые с 60-х гг. становятся преимущественно коробчатыми тонкостенными с новой конструкцией проезжей части в виде ортотропных плит. Их изготавливают, в основном, из низколегированных сталей, обладающих хорошими механическими и технологическими свойствами. Взамен монтажной клепки в практику широко внедряется новый тип соединений — фрикционные (высокопрочные) болты и комбинированные (болтосварные) соединения.
Соперничество железобетона и стали привело к закономерному результату — их соединению в сталежелезобетонных пролетных строениях, являющихся специфическим комбинированным типом конструкций. Применение сталежелезобетона в бывш. СССР было начато в 1944 г. по проектам, разработанным в ЦНИИ Проект-стальконструкция под руководством Г.Д. Попова, хотя впервые новый материал был запатентован в Швейцарии в 1939 г. Уже в конце 40-х—начале 50-х гг. прошлого века сталежелезобетонные мосты начали строить в большинстве стран мира. В нашей стране они являются сейчас самым распространенным видом автодорожных сооружений средних пролетов (40—80 м). Значительное число их и на железных дорогах с ездой поверху пролетами 18—55 м.
Таким образом, успехи в области мостостроения в XX в. связаны с разработкой новых конструктивных форм пролетных строений, увеличением их перекрывающей способности, введением сварки, использованием новых материалов и типов соединений металлоконструкций, совершенствованием методов и норм проектирования и расчета мостов, технологии заводского и строительного производства.