Мостостроение в проектах В.Г. Шухова

Фундаментальный шуховский метод основан на поисках принципиально новых инженерных решений, на научно-аналитическом подходе и на эффективном решении экономических задач.

Особенности мостостроения

Среди различных отраслей строительства мостостроение занимает особое место. При проектировании мостов следует принимать во внимание условия прокладки дорог через природные препятствия, например, через овраги и протоки. Кроме того, необходимо учитывать, что каждый мост благодаря своим конкретным функциям, пролету и размерам придает соответствующий облик окружающей местности, городу или природному ландшафту.

В ходе выполнения проектирования, выбора систем, воспринимающих нагрузки, и применяемого материала, так же как и дальнейшего подбора поперечных сечений и расчета соединений отдельных элементов с учетом функциональных особенностей и требований экономичности, инженер должен суметь разработать и возвести мостовые конструкции, соответствующие поставленной задаче. Должны быть обеспечены несущая способность и хорошие эксплуатационные качества сооружения.

Умение при возведении моста — чисто инженерного сооружения — решать вопросы взаимосоответствия масштаба и формы сооружения с окружающим ландшафтом является показателем мастерства инженера, его высочайшей степени профессионализма.

Техническим инструментом при проектировании и возведении мостов являются соответственно применяемые закономерности механики и численно представляемые геометрические зависимости. Значительную роль, однако, при проектировании и конструировании мостов играют опыт и интуиция инженера. Так, в мостах, которые проектировал и строил В.Г. Шухов, можно отчетливо видеть взаимослияние интеллекта и логики с изобретательностью и интуицией инженера.

Шуховские мосты

Под руководством В.Г. Шухова, работавшего в то время в бюро Бари ведущим инженером, было спроектировано и построено 417 мостов. Наряду с работой по строительству мостов для железных дорог Шухов также руководил сооружением пешеходных и транспортных мостов и эстакад для трубопроводов. К ним относятся мост Прохоровской мануфактуры (1892 г.), пешеходный мост в г. Кисловодске (1895 г.), мосты на Всероссийской промышленной и художественной выставке в Нижнем Новгороде (1896 г.), мосты на территории цементного завода в г. Подольске (1899г.), металлургического завода в г. Туле (1901 г.), Земельного ведомства в Тарусе (1899 г.), в имении Морозовой (1902 г.).

Требуемое количество мостов для железнодорожных линий обычно определяется из условий обеспечения необходимой скорости движения поездов. Это значит, что нельзя превышать значения определенных радиусов кривизны и уклонов дороги. Соответствующие характеристики определяются в основном топологией местности, общей длиной и длиной пролетов мостов.

Из-за необходимости возведения большого числа мостов при строительстве железнодорожных линий большой протяженности, а также вследствие ограниченного производства стали в России важнейшим критерием рациональной постройки моста был минимальный расход стали. В то же время при малом собственном весе в большепролетных мостах (с пролетом до 100 м) под действием значительной подвижной нагрузки возникают заметные деформации. Чтобы избежать их или уменьшить, необходимо придать несущей системе моста высокую жесткость, что можно обеспечить путем увеличения высоты фермы. Для решения задачи строительства в короткие сроки Шухов провел стандартизацию мостовых конструкций в зависимости от длины пролета моста. В архивах сохранились таблицы сравнения основных характеристик мостов, например таблица, составленная в связи со строительством железной дороги Оренбург—Ташкент (1901 — 1902 гг.).

Из данных, приведенных в таблицах, следует, что для железнодорожных мостов пролетом более 15 м Шухов (в зависимости от пролета) выбирал фермы с различными очертаниями поясов и разные виды решеток, связывающих эти пояса. Ко времени, когда Шухов в 1892 г. начал заниматься строительством железнодорожных мостов, почти полностью были разработаны теоретические основы для определения усилий в отдельных элементах стержневых конструкций, а также методы определения в них деформаций при различных видах загружений.

Несущие системы, применяемые Шуховым в мостостроении

Для мостов пролетом свыше 100 м были разработаны формы несущих конструкций с верхним поясом параболического очертания, который не соединялся непосредственно с нижним поясом, а заканчивался вертикальной стойкой — эта ферма была названа полупараболической.

«Многораскосная» решетка этой фермы — вертикальные стержни, пересекающиеся с раскосами, присоединялись к нижнему поясу с гораздо меньшим шагом. При оптимальном наклоне раскосов и большой высоте фермы напряжения изгиба в нижнем поясе от подвижной нагрузки уменьшались благодаря малому шагу узлов. Раскосы, гибкие стальные стержни, при равномерно распределенной нагрузке работали только на растяжение, а при определенном положении подвижной нагрузки-локомотива могли выключиться из работы вследствие отсутствия в них напряжений или возникновения небольших сил сжатия. Наличие пересекающихся раскосов в середине пролета способствовало повышению надежности конструкций и уменьшению деформаций. Один из первых известнейших мостов с фермами полупараболического очертания был построен в 1864—1868 гг. через р. Лек вблизи Гуленборга (Голландия), длина пролета составляла 154,4 м.

В.Г. Шухов сумел, пользуясь существовавшими тогда методами расчета, разработать такие мостовые конструкции, которые своей рациональностью и функциональными качествами вызывают восхищение и сегодня. Для мостов пролетом 25—30 м Шухов применял несущую систему, которая могла быть позаимствована у системы ферм Паули. Он отказался от параболического сжатого пояса, заменив его на прямолинейный и поместив непосредственно на него проезжую часть. От действия собственного веса и равномерно распределенной транспортной нагрузки в нижнем криволинейном поясе возникали усилия растяжения, горизонтальные составляющие которого на опорах воспринимались верхним прямолинейным поясом.

Несущая способность конструкции при действии транспортной нагрузки обеспечивалась диагональными элементами, наклоненными в две противоположные стороны и работающими на сжатие и растяжение. Причиной установки раскосов, работающих на знакопеременные усилия от действия нагрузки от локомотивов, мог быть малый пролет, который достигал примерно двух длин локомотива и вел к нежелательному соотношению собственного веса и веса локомотива. Две параллельно расположенные фермы были раскреплены из плоскости при помощи поперечных крестовых связей. Так как эти связи под действием постоянной нагрузки не работали, они состояли из вертикальных элементов, между которыми устраивалась перекрестная решетка с небольшими ячейками из элементов с малыми размерами поперечного сечения.

Вследствие сложности обеспечения необходимой высоты конструкции описанные фермы с ездой по верху имели ограниченное применение. С увеличением пролета должна была увеличиваться и высота фермы, а это значит, что размер в свету под фермой (габаритный проезд) должен был становиться меньше. Данная проблема не возникала лишь в отношении мостов, перекрывающих глубокие ущелья. Вследствие этого для пролетов свыше 35 м Шухов применял мостовые конструкции с ездой по низу. Благодаря выбранному отношению высоты фермы к ее пролету (1:8 — 1:10) горизонтальные связи можно было расположить между верхними поясами ферм, не нарушая габаритный проезд для локомотивов. Горизонтальные связи служили для обеспечения устойчивости сжатого пояса из плоскости фермы и восприятия ветровых нагрузок.

На рисунке приведен чертеж моста с пролетом 55 м. На этом примере четко видно, как понимание механизма передачи нагрузок и возникновения напряжения и соответственный подбор поперечных сечений приводят к сквозным легким конструкциям мостов, характерным для Шухова.

Мост железной дороги Оренбург-Ташкент.  Пролет – 55 метров. Рабочий чертеж.

Мост железной дороги Оренбург-Ташкент. Пролет – 55 метров. Рабочий чертеж

При подготовке статьи использовались книги и сайты:

  1. Шухов В.Г. (1853-1939). Искусство конструкции: Пер. с нем./ Под ред. Р. Грефе, М. Гаппоева, О. Перчи. – М.: Мир, 1995. – 192 с.
  2. Щербо Г.М. В.Г. Шухов и его сетчатые конструкции. – Промышленное строительство, 1974, №5.
  3. Ковалев И. Шедевр решили сдать в утиль. – Нижегородский рабочий, 2006, №77/15971.
  4. http://www.swteam.info/
  5.  http://www.gosdirekcia.ru/news?id=396/
  6.  http://www.arhinovosti.ru/
  7. Ковельман Г.М. Творчество Почетного академика и инженера Владимира Григорьевича Шухова. – М.: Госстройиздат, 1961.