Текст книги "Большая книга мостов"

Айрат Багаутдинов
Большая книга мостов

Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Научно-популярное издание

Для младшего и среднего школьного возраста

Детская библиотека «Глазами инженера»

Главный редактор: Лана Богомаз

Руководитель проекта: Ирина Останина

Дизайнер: Аля Щедрина

Литературный редактор: Светлана Алленова

Корректор: Зоя Скобелкина

Компьютерная верстка: Ольга Макаренко

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Айрат Багаутдинов, текст, 2024

© ООО «Альпина Паблишер», 2024

* * *

Кто строит мосты?

Есть такая удивительная профессия – инженер. Именно благодаря ей развивается мир вокруг нас. Дома и башни, железные дороги и машины, поезда и самолёты, телефоны и компьютеры – всё это создано ими. Но, пожалуй, самый великий инженер на свете – это природа. И хотя мы можем многому у неё научиться, временами нам приходится бороться со стихиями: например, прокладывать тоннели сквозь скалы или перебрасывать через бурные реки особые конструкции – мосты.

Когда человек построил первый мост, он показал природе, что способен сам изменять мир, подчинять его своей воле. Только самые талантливые, трудолюбивые и опытные инженеры могли справиться с такой непростой задачей. С течением времени, по мере развития человечества, конструкции мостов становились всё более сложными и совершенными. Поэтому история мостостроения – это ещё и история человеческого разума и развития цивилизации.

Наша книга – тоже мост! Во-первых, буквально: на каждом развороте нарисован мост, который приведёт вас к следующему этапу истории мостостроения. А во-вторых, мы хотим, чтобы страницы этой книги стали для вас, дорогие читатели, мостиками к новым идеям, открытиям и собственным изобретениям. И кто знает, вдруг она поможет вам в выборе будущей профессии?

Какие существуют мосты?

История инженерного искусства насчитывает не менее пяти тысяч лет. За это время люди создали множество мостов и приспособили их к разным функциям. Кстати, мостами инженеры, как правило, называют конструкции над водной преградой для переправы людей или транспорта. Если сооружение помогает пересечь другую дорогу (например, проехать на автомобиле над железной дорогой), оно называется путепроводом. А вот для того, чтобы поднять дорогу на определённую высоту (например, отделить шумную трассу от центра города), строятся эстакады. Кроме того, с давних времен известны сооружения, предназначенные для переноса через реку или овраг водопроводных труб, – их называют акведуками.

В зависимости от того, как мосты воспринимают нагрузку (например, от людей и автомобилей), выделяют их различные статические схемы.

Балочный мост

Балка – это прямолинейная конструкция, которая лежит на двух или большем количестве опор. Однако она легко изгибается, поэтому может перекрыть только сравнительно небольшой пролёт – расстояние между опорами моста.

Арочный мост

Арка – это конструкция в виде дуги, которая может перекрывать сравнительно большие пролёты. В древности арки строились из камня, а в наши дни – из металла или железобетона.

Консольный мост

Консоль – балка, закреплённая с одной стороны и свободная с другой. В консольном мосте две консоли соединяются друг с другом в середине пролёта.

Висячий мост

Дорожное полотно такого моста подвешено к основной несущей цепи или тросу. Эта конструкция позволяет перекрывать очень большие пролёты. Сегодня самые большепролётные мосты в мире – именно висячие.

Вантовый мост

Этот вид похож на висячий мост, но его дорожное полотно подвешено длинными тросами-вантами напрямую к высоким башням – пилонам.

Схемы этих мостов – наглядная история мировой инженерной мысли. Ещё в доисторические времена люди научились строить балочные мосты. В Античности произошёл расцвет арочных конструкций, ставших новой вехой в мостостроении. В эпоху научно-технической революции были изобретены консольные, висячие и вантовые мосты, которые активно строятся до сих пор.

Как появились мосты?

Скорее всего, древний человек подсмотрел идею моста у природы. Задолго до появления человечества животные перебирались с одного берега реки на другой по стволам деревьев, упавшим поперёк русла. Люди сначала поступали точно так же. А со временем научились создавать подобные переправы сами, перетаскивая срубленные или упавшие стволы в нужное место и связывая их вместе. Так появились первые балочные мосты.

У древнего человека могли быть и иные источники вдохновения – каменные мосты, созданные самой природой. Например, в штате Юта в США, в долине реки Колорадо, расположен заповедник, известный как «Природные мосты». Миллионы лет вода и ветер, подобно скульпторам, вытачивали местные мягкие породы и создали гигантские каменные балки и арки, перекинутые между скалами. Впрочем, такие природные образования встречаются на всех континентах. Самая большая арка, созданная природой, находится в Гуанси-Чжуанском автономном районе Китая – её пролет составляет 122 метра. Должно быть, именно такие естественные образования вдохновили древних людей на создание первых каменных балочных и арочных мостов.

Точная дата появления первых мостов неизвестна, потому что это произошло в доисторическую эпоху, когда люди ещё не оставляли письменных записей о своей истории. При этом мосты часто упоминаются в мифах разных народов.

В скандинавской мифологии существует мост Биврёст, который соединяет Мидгард – срединный мир людей – с Асгардом – небесным городом богов. В славянской мифологии известен Калинов мост: он простирается над огненной рекой Смородиной и связывает мир живых с миром мёртвых. Перейти его непросто: в одной из русских народных сказок Иван, крестьянский сын, сражается на этом мосту с Чудом-юдом.

Сказки передают представления наших далёких предков о том, что строительство и переход моста – это смелый шаг навстречу неизвестности и приключениям. Сегодня мы уже не боимся неизведанных земель, но строительство огромных мостов через труднопроходимые водные преграды до сих пор воспринимается как настоящее чудо.

Балочные мосты

Балочные деревянные мосты, вероятно, являются самыми древними. Древнегреческий историк Геродот, описывая город Вавилон времён его расцвета в VI веке до н. э., упоминал, что через реку Евфрат был построен мост с каменными опорами и деревянными пролётами. Из римских источников известно, что первый мост через реку Тибр в Риме был построен ещё в конце VII века до н. э. Он тоже был деревянным, на свайных опорах.

Такие мосты были самыми распространёнными и в Средние века, и в Новое время, и продолжают строиться в наши дни. Например, в 2016 году в городе Киржач Владимирской области через одноимённую реку был построен деревянный пешеходный мост длиной 555 метров.

В крупных городах вы тоже чаще всего встретите именно балочные мосты. Например, почти все мосты через Москву-реку или Неву и автомобильные эстакады имеют именно такую конструкцию. Только строятся они сегодня из стали или железобетона, да и принцип их работы несколько иной.

В детстве я часто жил у бабушки в деревне. Дороги там были плохими, и после дождя на них образовывались большие лужи. Иногда селяне клали в них кирпичи, а сверху укладывали доски. Такая конструкция была не слишком надёжной – даже под небольшим весом она прогибалась, а иногда подгнившая доска с треском ломалась, и я оказывался по щиколотки в луже.

Инженер объяснил бы эту неприятность следующим образом: при большом пролёте балка подвергается значительному изгибу, что может привести к её деформации. Чтобы этого избежать, в современных мостах используют очень длинные балки, которые перекрывают все пролёты одновременно (аналогично мы могли бы положить на множество кирпичей одну очень длинную доску через большую лужу). Такие балки называются неразрезными. По этой схеме строится большинство современных балочных мостов.

Мост аньпин

Одним из старейших сохранившихся балочных мостов является мост Аньпин он был построен на юго-востоке Китая в середине XII века. Выглядит этот мост довольно необычно: его длина составляет два километра и семьдесят метров, и он состоит из 331 пролёта! Каждый из них в длину примерно 6 метров. Пролётное строение состоит из 6 каменных балок, уложенных рядом друг с другом. Ширина моста составляет от 3 до 3,8 метра, что раньше позволяло свободно разъехаться двум встречным повозкам. Сегодня этот мост является объектом всемирного наследия ЮНЕСКО, а потому ходить по нему могут только пешеходы.

Мост Аньпин – не единственный в своем роде. В XI–XII веках каменные балочные мосты были популярны во всём Китае. Так, мост Луоян, построенный за сто лет до Аньпина, состоит из 47 каменных пролётов общей длиной 730 метров.

Возникает вопрос: почему же при такой значительной длине эти мосты имели так много маленьких пролётов? Зачем было строить в воде столько опор? Ответ очень прост. Если бы каменные балки были длиннее, они не выдержали бы собственного веса и сломались. Как говорят инженеры, камень плохо работает на изгиб – он не приспособлен к такому виду нагрузки.

Арочные мосты

Одни из первых цивилизаций на Земле – Месопотамия (Междуречье) и Древний Египет. В этих регионах появились первые масштабные строительные проекты: крепости, дворцы, каналы для орошения полей и, конечно же, мосты. Однако, поскольку дерево и камень были в дефиците, местные жители научились изготавливать новый материал из имевшейся в избытке глины – кирпич.

Но как выложить мост из такого мелкого материала? Около трёх с половиной тысяч лет назад строители нашли решение – они стали возводить из кирпича конструкции в виде выгнутой вверх дуги. У восточных цивилизаций эту конструкцию переняли древние римляне и дали ей название арка, которое используется до сих пор.

Римляне вошли в историю как искусные и неутомимые мостостроители. По всей Европе, Великобритании, Турции, а также на Ближнем Востоке и в Северной Африке до сих пор сохранилось около тысячи построенных ими арочных мостов. Римляне также научились строить рекордные пролёты – так, мост Траяна через Дунай имел пролёты по 35 метров. Создавали они и очень протяжённые конструкции – например, мост Константина через Дунай протяжённостью около 2,5 километра.

Как работает арка

Вертикальная нагрузка (например, вес автомобилей) преобразуется в сторонах арки в усилие сжатия. Камень и кирпич хорошо выдерживают сжатие и передают большую часть усилий на опоры.

Однако в арке также возникает сила, направленная в стороны, – инженеры называют её горизонтальным распором. Для наглядности проведём эксперимент. Возьмите железную линейку, изогните её в виде дуги и закрепите между двумя стопками книг таким образом, чтобы не дать линейке разогнуться. Получился арочный мост. Теперь надавите на него сверху – горизонтальный распор раздвинет стопки книг в стороны.

Большинство арочных мостов древности, Средневековья и Нового времени имели множество небольших пролётов, где соседние арки взаимно гасили горизонтальный распор друг друга. В наши дни часто строят мосты в виде одной арки с большим пролётом, например Москворецкий и Большой Каменный мосты в Москве. В них горизонтальный распор принимают на себя массивные опоры.

Акведук пон-дю-гар

Древние римляне были известны не только мостами и дорогами, но и тем, что уделяли пристальное внимание городскому хозяйству. Практически в каждом крупном городе они строили водопровод – по-латински «акведук» (от «aqua» – вода и «duco» – веду). И хотя римляне считали акведуком водопровод целиком, сегодня так принято называть мосты, по которым вода в каменном канале перетекает через реку или ущелье.

Один из крупнейших и хорошо сохранившихся римских акведуков находится на юге Франции, неподалёку от города Ним, и называется Пон-дю-Гар (что в переводе с французского означает «мост через реку Гар»). Он был построен в середине I века н. э., то есть почти две тысячи лет назад! Вода в нём текла из горных ручьёв в римский город Немаус (современный Ним) по каменной галерее в верхней части акведука, которая сохранилась до сих пор. После распада Римской империи, в Средние века, акведук пришёл в запустение и перестал подавать в город воду. Однако люди и повозки переправлялись по нему вплоть до XVIII века, когда к акведуку был пристроен новый мост. В настоящее время Пон-дю-Гар – одна из самых популярных достопримечательностей Франции.

Как строили арки древние римляне?

1. В начале строители собирали специальные леса круглой формы, которые называются кружалами.

2. Каменные блоки укладывались на кружала с помощью подъёмных кранов, приводившихся в движение силой мышц. В конце устанавливали верхний блок, который называется замковым камнем. Он как бы запирает всю арку на замок, скрепляя её.

3. После установки замкового камня кружала разбирали. Арка держалась без строительного раствора за счёт того, что камни взаимно удерживали друг друга.

Средневековые мосты

Когда Европа переживала период, вошедший в историю как Средние века, пальма первенства в строительстве самых сложных мостов перешла на Восток. В 605 году в Китае был построен каменный арочный мост Аньцзи с самым большим пролётом в мире – 37,5 метра. Более чем через пятьсот лет, в 1154 году, этот рекорд побил сооружённый турками мост Малабади с пролётом 38,6 метра.

В XII–XIV веках, не без влияния Востока, в Европе сформировалась новая инженерная культура, которая подарила нам величественные готические храмы, такие как знаменитый собор Парижской Богоматери, и, конечно же, мосты.

Карлов мост в Праге был построен во второй половине XIV века немецким инженером Петером Парлером (редкий случай, когда имя средневекового мастера осталось в истории, в большинстве случаев они неизвестны). Мост состоит из 16 арочных пролётов сравнительно скромной длины – 13,5 метра. Он дошёл до наших дней в почти неизменном виде, что сделало его одной из главных туристических достопримечательностей Центральной Европы.

В то же время в середине XIV века европейские инженеры вступили в гонку за создание моста с самым большим пролётом. В 1341 году во французском городе Сере был построен так называемый «Чёртов мост» с самым большим на тот момент пролётом в 45,5 метра.

В 1377 году в итальянском городе Треццо-суль-Адда был возведён мост Треццо, который установил недосягаемую планку в 72 метра! Этот рекорд инженерам удалось побить только через пятьсот лет, в конце XVIII века.

Обитаемые мосты

Для защиты от врагов средневековые города были окружены крепостными стенами. С их ростом места внутри стен становилось всё меньше, поэтому жители застраивали каждый свободный участок. И если в городе был более или менее широкий мост, он тоже занимался домами с двух сторон. В результате появился уникальный средневековый феномен – обитаемые мосты. Ранее такими были и лондонский мост через Темзу, и мост Нотр-Дам в Париже, и Каменный мост в Москве. Сегодня таких мостов осталось немного, среди них наиболее интересны следующие:

Кремербрюке

В немецком городе Эрфурт располагается один из самых старейших обитаемых мостов, построенный в 1325 году. Его название переводится как «мост торговцев». С каждой его стороны расположено по 16 трёхэтажных жилых домов. Мост располагался на Королевской дороге, одном из важнейших торговых путей средневековой Европы. Поэтому в нижних этажах домов шла активная торговля редкими товарами, такими как бумага, шёлк, специи и ювелирные украшения.

Понте-веккьо

Этот мост в итальянском городе Флоренция был построен в середине XIV века. На обеих его сторонах располагаются жилые дома в пару-тройку этажей, а на первых этажах – лавки. В Средние века на этому мосту торговали мясом, в эпоху Возрождения – ювелирными изделиями, а сегодня здесь можно купить сувениры.

Мост риальто

Этот самый древний и известный мост в итальянской Венеции построен в конце XVI века. На нём располагались 24 лавки, в которых когда-то торговали галантерейными товарами, аксессуарами и украшениями. Сегодня Венеция – один из самых популярных городов в мире, каждый турист хотя бы раз пересекает мост Риальто, а потому весь он отдан под торговлю сувенирами.

Всехсвятский мост

Когда же каменные мосты появились в России? В конце XV века великий князь Иван III задумал построить в Москве новый кремль. Для этого он пригласил итальянских архитекторов и инженеров. С юга Кремль был защищён Москвой-рекой, с севера – рекой Неглинкой, а с востока – специально сооружённым рвом, который не сохранился до наших дней. От каждой воротной башни через ров и Неглинку были построены каменные мосты. По самому крупному из них, Троицкому, до сих пор можно пройти в Кремль.

Чуть позже была сооружена ещё одна крепостная стена, защищавшая московский посад и получившая название Китай-город. Как и Кремль, Китай-город был защищён с севера рекой Неглинкой, а с востока – рвом, и через эти водные преграды были переброшены мосты. Руины одного из них, Воскресенского, можно увидеть в Музее археологии Москвы.

В XVII веке, когда опасность нападения с юга миновала, а население Замоскворечья значительно выросло, было принято решение построить каменный мост и через Москву-реку. Для этого в Москву был приглашён немецкий инженер Яган Кристлер. Он составил проект, но вскоре после это умер, как и его заказчик – царь Михаил Фёдорович. Строительство моста начала царевна Софья много лет спустя. Каменный мост с восемью арочными пролётами был достроен к 1692 году и получил название Всехсвятский, в честь расположенной по соседству церкви Всех Святых. Однако москвичи прозвали его просто Каменным, а из-за его огромной стоимости в народе появилась поговорка «дороже Каменного моста».

Подобно многим европейским мостам, Каменный мост был обитаемым и стал одним из центров городской жизни. Чего только там не находилось: и жилые палаты, и таможня, и кабак, и даже тюрьма! К опорам были пристроены мельницы. Со стороны Замоскворечья мост защищала настоящая боевая башня. Каменный мост просуществовал до середины XIX века, когда его заменили металлическим. Современный мост был возведён в 1930-х годах и по-прежнему называется Большим Каменным, хотя построен из стали и железобетона.

Айронбридж

Веками арочные мосты строили из камня или кирпича, реже из дерева. Но промышленная революция, начавшаяся в Западной Европе в XVIII веке, привнесла в строительство новые материалы – чугун и сталь.

Английский город Колбрукдейл в конце XVIII века стал крупным центром угольной промышленности. Однако места добычи полезного ископаемого находились на одном берегу реки Северн, а жители – на другом. Нужен был мост. Поначалу строители собирались сооружать его по классической технологии, из камня. Однако местному металлургу Абрахаму Дарби III пришла в голову оригинальная мысль: раз уж Колбрукдейл специализируется на выплавке чугуна и он тут дёшев, значит, и мост надо строить из этого материала!

Так в 1781 году появился Айронбридж (что в переводе с английского и означает «чугунный мост»). Пролёт его составлял всего 30,5 метра. Тем не менее этот мост произвёл настоящую революцию в мире инженерии: после его постройки чугун и железо стали всё чаще использоваться в строительстве мостов, зданий и башен. В 1796 году в английском городе Сандерленд из чугуна был построен Вермутский мост, который установил мировой рекорд длины пролёта – 72 метра.

XIX век стал эпохой чугуна и железа. Новые материалы предоставили возможность строить ферменные, консольные, висячие и вантовые мосты, о которых мы поговорим в следующих главах.

Как строился мост

1. Каждая из 482 деталей моста изготавливалась на заводе в полукилометре от стройплощадки. Сперва делали полноразмерную модель детали из дерева.

2. Эта модель «вдавливалась» в смесь глины и песка, создавая контрформу, в которую затем заливали расплавленный чугун. После его застывания деталь была готова. Такой способ производства называется литьём.

3. Готовые детали доставлялись на место строительство на баржах. Строители соединяли детали между собой не болтами или сваркой, а традиционным способом из деревянного строительства: концы деталей вставлялись в пазы и фиксировались с помощью чугунных клиньев.