Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Утром 14 марта 1938 г. внезапно рухнул стальной мост на канале Принц Альберт близ города Хасселт. Очевидцы утверждают, что слышали звук, подобный выстрелу, после чего заметили разрыв в нижнем поясе между третьей и четвертой вертикалями. Мост начал сильно провисать и приблизительно через 6 мин, развалившись на три части, упал в замерзшие воды канала. Было минус 10°С.
Мы не будем останавливаться на причинах катастрофы: низкокачественная сталь, некачественная сварка, конструктивные погрешности и т. д. Важно то, что речь идет о «хрупком» разрушении, которое у низкоуглеродистых сталей может происходить только при особых условиях, например при низких температурах. Однако гораздо интереснее механизм самого разрушения, стадии, через которые последовательно прошла конструкция, прежде, чем окончательно рухнула.
Рис. 22. Последовательное развитие катастрофы моста у города Хасселт (Бельгия). Все произошло в течение нескольких секунд
Сначала все было в порядке — транспорта на мосту не было, нагрузка только от собственной массы предполагала чистое сжатие в верхнем поясе. Конструкция работала как арка, а горизонтальное усилие воспринимал нижний пояс-затяжка. Внезапно он разорвался. Конструкция «пыталась» продолжать работать как арка, передавая горизонтальную силу на фундаменты, которые, разумеется, не были рассчитаны на такую ситуацию. В результате вершины фундаментов были срезаны (рис. 22). Горизонтальная сила исчезла, исчез и эффект арки. С этого момента конструкция (вернее, ее верхний пояс), стала работать как свободно опертая балка (хотя и с параболическими очертаниями, что, впрочем, несущественно). Появились огромные изгибающие моменты, которые верхний пояс был не в состоянии выдержать. Балка, естественно, переломилась и рухнула в канал.
ВИСЯЧИЕ МОСТЫ
В середине 1976 г. в Японии был сдан в эксплуатацию самый большой из современных висячих мостов. После строительства моста между островами Хонсю и Кюсю, объявленного рекордсменом азиатского континента, и еще нескольких событий такого рода специалисты заговорили о висячих мостах как об одной из интереснейших областей техники, у которой едва ли не самая драматичная история.
Остановимся немного на искусственно раздуваемом межнациональном соперничестве и конъюнктурных амбициях, которые в развитых капиталистических странах часто накладывают свой отпечаток на развитие техники. Займем позицию беспристрастного наблюдателя. Однако в случае висячих мостов нам вряд ли это удастся, потому что история этой области строительства неминуемо вызовет у нас всевозможные эмоции. Несмотря на свой невероятно тонкий ажурный силуэт, они легко и естественно преодолевают огромные расстояния, как будто для них не существует законов гравитации. По эстетическому воздействию этот род мостов уникален: нет другого технического сооружения, где конструкция, демонстрируемая в столь чистом, первичном виде, вызывала бы такое впечатляющее ощущение мощи, легкости и изящества. И если мосты вообще являются наиболее ограниченной формой симбиоза техники и искусства, то висячие мосты — вершина этого симбиоза.
Висячие мосты строились еще первобытными людьми: их строят и сейчас некоторые полудикие племена, обитающие в джунглях Амазонки. В принципе это антитеза арочных конструкций. Их напряженное состояние тоже является безмоментным, но только на базе растягивающего усилия. Это предопределяет и единственно применимый для цепей и канатов материал — сталь. Равновесная форма провисшей дуги весьма изменчива, склонна к самоадаптации в условиях каждой новой конфигурации нагрузок. Арочным конструкциям такая гибкость недоступна, поэтому и их безмоментное состояние возможно только при строго определенной нагрузке. Висячие конструкции реагируют на изменение нагрузки изменением линий своих очертаний, что обеспечивает постоянное и абсолютно чистое безмоментное состояние. Но это имеет и другую сторону медали: такие вариации висячей равновесной формы связаны с деформациями путевого полотна. Поэтому висячие системы в чистом виде в мостовых конструкциях практически не встречаются. Цепи всегда сочетаются с жесткой конструкцией на уровне мостового полотна, которая воспринимает как определенные поперечные силы, так и определенные изгибающие моменты (вследствие ограничения свободных деформаций).
Материал висячей дуги, будь то лиана, веревка, цепь или стальной канат, работает в режиме постоянного растяжения. Именно по этой причине наиболее рационально используется все сечение элемента. Каждый грамм, каждый квадратный сантиметр материала может быть полностью вовлечен в работу по восприятию нагрузки и ее передаче береговым опорам. Этим обусловлена большая легкость висячих мостов, благодаря которой они (и только они) в состоянии преодолевать «за один раз», без промежуточных опор огромные расстояния. В случаях очень глубоких и очень широких препятствий, когда возведение каких бы то ни было промежуточных опор сложно, дорого, а часто и невозможно, висячий мост оказывается единственно возможным решением.
Большие или меньшие висячие мосты есть во всех странах мира. В последние годы дорожно-строительный «бум» в Японии привел к необходимости замены паромного сообщения между некоторыми островами мостовыми связями, а определенные особенности в рельефе дна обусловили неизбежность применения висячих систем. Классической страной висячих мостов, однако, считаются Соединенные Штаты. Грандиозные каньоны на крайнем западе, широкие полноводные реки и глубокие проливы Тихоокеанского побережья служат объективной предпосылкой расцвета висячих систем именно в этом районе земного шара.
В течение первого десятилетия минувшего века в США были построены шесть первых больших мостов с пролетами до 72 м, выполненные с применением кованых железных цепей. Один из них мост на р. Меримей просуществовал целых сто лет. Над Ниагарой возник мост с пролетом 252 м, а в 1848 г. на р. Огайо — мост с пролетом 336 м. Девятнадцатью годами позже был построен Бруклинский мост в Нью-Йорке, который «сразу» преодолел 487 м. Вместо цепей давно уже стали применять стальные канаты, а пролеты продолжали расти со средними темпами 10 м в год, достигнув в 1931 г. максимальной величины 1068 м (мост на р. Хадсон, Нью-Йорк). Через четыре года над проливом Золотые Ворота у Сан-Франциско началось строительство исключительно большого для этого времени сооружения, или, как его называли, моста века. Один из моментов его строительства запечатлен двумя очевидцами — советскими писателями Ильей Ильфом и Евгением Петровым, находившимися тогда в Калифорнии.
«Мистер Адамс показал рукой на сооружение, представляющееся издали протянутыми через залив проводами. Так вот оно, всемирное чудо техники — знаменитый висячий мост!
Чем ближе подходил к нему паром, тем грандиознее казался мост. Паром проходил мимо поднимавшегося из воды пилона. Он был широк и высок, как «Генерал Шерман». С высоты его наш паром казался, вероятно, таким маленьким, как человек на дне Гранд-Каньона. Пилон до половины был выкрашен серебристой алюминиевой краской. Другая половина была еще покрыта суриком.
Благодаря любезности строителей моста мы получили возможность осмотреть работы. Мы сели в военный катер, который поджидал нас в гавани, и отправились на островок Йерба-Буэна, расположенный на середине залива.
… Сейчас кончают сплетать стальной канат, на котором повиснет мост. Его толщина около метра в диаметре. Это он-то показался нам тонкими проводами, когда мы подъезжали к Сан-Франциско. Трос, который на наших глазах сплетали в воздухе движущиеся станки, напоминал Гулливера, каждый волосок которого был прикреплен лилипутами к колышкам. Повисший над заливом трос снабжен предохранительной проволочной сеткой, по которой ходят рабочие. Мы отважились совершить вдоль троса небольшое путешествие. Чувствуешь себя там, словно на крыше небоскреба, только с той разницей, что под ногами нет ничего, кроме тонкой проволочной сеточки, сквозь которую видны волны залива. Дует сильный ветер».
Это сооружение с центральным пролетом в 1280 м в течение 27 лет оставалось единственным в своем роде. Только в 1965 г. его рекорд на 30 м «перекрыл» мост Верозано, построенный у входа в нью-йоркский порт. А еще через десять лет мировой рекорд перекочевал за Тихий океан, в Японию (может быть, ненадолго).
Мало кто знает, что история висячих мостов, в сущности, представляет собой длинную вереницу катастроф. В истории техники нет другого примера, чтобы конструктивное решение завоевывало свое право на жизнь при столь противоречивых обстоятельствах и было оплачено столь дорогой ценой.
В 1864 и 1889 гг. жертвами ветра стали два моста на Ниагаре. В США только за период с 1876 по 1888 г. рухнул 251 мост. Большинство из этих больших и маленьких мостов были висячими. Один из первых документированных примеров катастрофы датируется 1854 г., когда во время сильного ветра разрушился 336-метровый мост на р. Огайо близ Уилинга. «В течение нескольких минут, — писал один из очевидцев, — мы с тревогой наблюдали за мостом, который напоминал качку корабля во время шторма. Внезапно мост поднялся почти до высоты пилонов, потом резко опустился; огромная конструкция сильно изогнулась, почти перевернувшись, и с ужасным грохотом рухнула с головокружительной высоты в реку».
