Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Итак, единственным внутренним усилием будет чистое сжатие, а мы уже знаем, что при этом в работу активно включается все сечение, каждый его квадратный сантиметр. Следовательно, можно говорить о полном использовании вложенного материала. В данном случае и общие деформации имеют другой, более благоприятный характер. Непосредственный прогиб, так ярко выраженный у балок и ферм, здесь отсутствует, имеет место лишь общее «скручивание» арки вследствие неизбежных деформаций сжатия.
Арочные конструкции обладают большой несущей способностью и жесткостью и предназначены для крупных пролетов. Это одно из самых мощных средств, которыми располагает инженер-конструктор для покрытия значительных пространств без промежуточных опор. И, естественно, мостостроение является той территорией, где арки и своды встречают самый теплый прием.
Каждый из нас не однажды видел арочные мосты. Это, несомненно, наиболее масштабное проявление одной из древнейших конструктивных форм, превосходящей возрастом даже ферму. Свод пришел в Европу с Востока. У арабов он находил применение в культовых и религиозных зданиях (мечетях, медресе), где с помощью конструкций дугообразного очертания перекрывались проемы, а позже устраивались и покрытия. В Риме свод был неотъемлемой частью знаменитых виадуков и акведуков, некоторые из которых сохранились до наших дней. В эпоху средневековья свод и его пространственный эквивалент — купол были вообще единственным средством для перекрытия определенных площадей без промежуточных опор (храмы, дворцы и т. п.), точнее — единственным средством, позволяющим использовать камень и кирпич не только для стен и колонн, но и для конструкций покрытия. Благодаря постоянному и относительно равномерному сжатию швы между отдельными каменными блоками не нуждались в специальных связях.
Замечательные образцы арочных мостов оставили средневековые болгарские строители. «Дьявольский мост» на р. Арда — прекрасный пример средневекового мостостроения Болгарии. При центральном пролете 38 м и высоте арки (стреле подъема) 16 м его толщина в верхней части (ключе или замке) составляет всего лишь 45 см! Замечательный образец синтеза архитектурного облика, конструктивной формы и слияния с окружающим ландшафтом — мост на р. Янтра, построенный знаменитым болгарским мастером Николой Фичевым.
Вообще мосты представляют собой не только конструкции и пути сообщения, но и сильное средство эстетического воздействия, часто определяя облик всей местности или города. В этом смысле свод и арка прекрасно выполняют двойную функцию эстетически выразительной и рациональной конструктивной формы. Комплексное воздействие современных арочных мостов поистине неповторимо, их арки очень стройны: высота их сечения достигает 1/40 — 1/60 величины пролета (тогда как у балок и ферм это соотношение колеблется от 1/16 до 1/30).
По вполне понятным соображениям, конструкция путевого полотна предполагает горизонтальную поверхность, в связи с чем арка должна быть «надстроена». Это достигается с помощью сплошной надсводовой части, как делали прежние строители, или с помощью расчлененной надсводовой конструкции. В последнем случае стойки, выступающие над сводом, передают нагрузку от горизонтальных балок, находящихся под плитой путевого полотна. Существуют также сводовые конструкции с «ездой понизу», когда мостовое полотно находится на уровне пяты (опоры) свода и висит на специальных подвесках.
Деформации свода не могут не вовлекать в работу и надсводовую конструкцию, так что в конечном счете получается единая сложная несущая система. Однако чаще всего вся надсводовая часть рассматривается как нагрузка на свод. Но есть системы, где подобное взаимодействие желательно, например, системы «лангер» (езда понизу) и «консидер» (езда поверху). Для этих систем характерны очень тонкие и высокие арки и относительно мощные главные балки мостового полотна. Последние здесь ведут себя уже не как нагрузка для арок, а как самостоятельный элемент. Арки же в этом случае являются вторичным, усиливающим элементом, который значительно увеличивает несущие возможности горизонтальной балки.
Ясная идеализированная схема, с которой мы начали, в действительности может быть намного сложнее. В ряде случаев это делается умышленно в стремлении к более целесообразной и эффективной конструкции. Однако чаще всего речь идет о нежелательных (и неизбежных) вторичных эффектах. Достаточно сказать о том, что безмоментное напряженное состояние предполагает сравнительно равномерно распределенную, но обязательно неподвижную, статическую нагрузку. Существуют аналитические и графические методы определения очертания арок (линии сжатия), обеспечивающего их работу под действием постоянной нагрузки без изгибающего момента. Но в случае мостов, кранов и т. п. подвижные нагрузки (транспорт) создают сложную и быстро меняющуюся картину внутренних сил, при которой каждому моменту времени соответствует своя форма равновесия. Но арка жесткая, она не может раздвинуться, принимая необходимую устойчивую безмоментную форму, а сохраняет прежнее положение. Так появляются изгибающие моменты, которые имеют временный характер. По величине они намного меньше моментов в балочных конструкциях. В целом арка работает преимущественно без моментов и остается исключительно рациональной и удобной конструктивной формой.
Существуют арки из стали и дерева, но поскольку речь идет о сжатии, то основной материал здесь, конечно, железобетон. Чаще всего исполнение бывает монолитным, что предполагает несущий каркас для опалубки. А это серьезный технологический минус. Но что делать? Без минусов не обойтись нигде.
Однако этот минус преодолим в условиях обычного надземного строительства. Поскольку в конструкциях покрытий зданий превалируют постоянные нагрузки, то в промышленном и гражданском строительстве почва для работы арок более благоприятна, чем в мостостроении. Другими словами, безмоментное состояние здесь будет преобладающим. Причем арки используются в «чистом виде», без надстройки, так как в конструкциях покрытия естественный уклон необходим — по нему стекают дождевые воды. Арочные конструкции из железобетона выполняют с пролетом более 100 м (для ангаров), а в сочетании с оболочкообразными покрытиями — с пролетом свыше 200 м.
Формы с параболическим верхним поясом, которые мы рассматривали раньше, по существу, тоже можно считать одной из многообразных форм арок. Если действует только нагрузка, для которой и выбрана такая линия верхнего пояса, решетка фермы не нагружена, а следовательно, ферма работает как арка. Другой формой, широко применяемой в промышленном строительстве, является так называемая балка Виранделя, которая состоит из прямолинейного нижнего пояса, параболического верхнего пояса и вертикальных стержней решетки. При постоянной равномерно распределенной нагрузке она тоже работает как арка. (Однако при неравномерной нагрузке возникают значительные изгибающие моменты, поскольку в решетке отсутствуют диагональные стержни. Такая система работает уже гораздо более сложным образом. Ее работа представляет собой нечто среднее между работой балки, фермы, арки и рамы.) В промышленном строительстве НРБ широко применяется типовая балка Виранделя из сборного железобетона для пролетов величиной 12, 18 и 24 м. В Берлине построено промышленное здание с пролетом 60 м, в покрытии которого тоже применены балки этого типа. В Бельгии балки Виранделя были использованы при строительстве ряда стальных мостов с пролетами до 80 м. Катастрофа, которая произошла с одним из них, служит убедительным доказательством огромной роли горизонтального сжатия в случае применения арочных конструкций.
Речь идет о том, что работа арок предполагает не только вертикальное давление на опоры (как у балок), но и значительное горизонтальное сжимающее усилие. Это хорошо видно на рис. 21. С одной стороны, это весьма неприятное явление, поскольку оно создает ряд проблем, связанных с восприятием подобной нагрузки. Необходим или специальный фундамент, который передавал бы это усилие на грунт, или — когда геологические условия, а чаще всего вид и назначение конструкции не позволяет это сделать, — дополнительный элемент (затяжка), который связывает две пяты арки и воспринимает горизонтальную силу. В случае ферм и балок Виранделя роль затяжки выполняет нижний пояс. Однако, с другой стороны, горизонтальное сжатие является просто бесценным обстоятельством, именно оно определяет безмоментное напряженное состояние и превращает криволинейную форму арки (сама по себе криволинейность еще ничего не значит) в рациональную и эффективную конструктивную форму. Так или иначе, но горизонтальное сжатие имеет место, а его восприятие обязательно. Однако вернемся к катастрофе бельгийского моста, в конструкции которого была применена балка Виранделя.
