Мосты

Быстрый рост железнодорожных сообщений, прокладка новых и новых железных дорог поставили целый ряд разнообразнейших технических задач. Крупнейшей из этих задач на ранней поре железнодорожного строительства надо считать поиски новых средств преодоления водных рубежей. Конечно, мостовые сооружения появились вместе с дорогами. Ведь первое дерево, счастливо упавшее поперёк ручья или ущелья, стало уже простейшим типом балочного моста. Скала, обрушившаяся в тот же ручей, могла подсказать мысль о каменном мосте. За тысячи лет истории дорожного строительства искусство построения мостов достигло известной степени совершенства, а конструкции этого рода сооружений стали чрезвычайно разнообразными. Однако мосты, предназначавшиеся для пешеходов и повозок, не годились для железнодорожного сообщения. Железнодорожному транспорту для преодоления водных рубежей нужны были мосты лёгкие и прочные, способные выдерживать очень большие нагрузки. Для переправы через широкие реки пешеходы и повозки могли прибегать к паромам; железнодорожный транспорт не мог удовлетвориться такой переправой и требовал мостовых сооружений небывалой длины.

Разрешение проблемы железнодорожного моста принадлежит русской инженерно-технической мысли. Обилие рек, множество оврагов и балок составляют нашу характерную географическую особенность, и о строителях мостов упоминает уже «Русская правда» — сборник узаконений, относящийся к 1020 году. При великом изобилии лесных богатств дерево на Руси, естественно, являлось основным строительным материалом, и древнерусское инженерное искусство характеризуют прежде всего разнообразные деревянные конструкции. На Руси получило особенное развитие деревянное мостостроение, причём строились не только плавающие или «живые мосты» из толстых брёвен, связанных в плоты, с настилом на них, но и балочные мосты. Наплавной мост через Днепр в Киеве, построенный при Владимире Мономахе, упоминается в летописи под 1115 годом. Дмитрий Донской строил мосты через Волгу в Твери при осаде этого города, а в 1380 году — через Дон, на Куликовом поле.

В Новгороде исстари существовал постоянный мост через Волхов, на котором происходили кулачные бои между населением двух сторон реки. О разрушении этого моста ледоходом упоминается в Новгородской летописи под 1335 годом. Постоянные деревянные мосты имели опоры в виде мощных ряжей с переходной частью в виде треугольника для более успешной борьбы со льдом. Они заполнялись камнем. Пролёты перекрывались брёвнами, как балками. Доски не применялись, так как были слишком дороги. Деревянные мосты представляют самую раннюю их форму. Сначала их строили просто из балок, потом стали усиливать подкосами, а затем в половине XVIII века появились арочные мосты, из косяков и гнутых брусьев, соединённых в арки. Затем были изобретены новые конструкции, и, вероятно, деревянные мосты будут строить ещё очень долго, особенно в богатых лесом краях. Правда, дерево подвержено гниению и опасно в пожарном отношении, но в последнее время найдено и применяется много огнеупорных и противогнилостных средств.

В отличие от заграничных балочных и подкосных мостов, все русские деревянные мосты построены из круглого леса, что требует, особого искусства при устройстве врубок и сопряжений, но зато придаёт сооружению более красивый вид и значительно увеличивает, его прочность. Каменные мосты строились также издавна. Остатки исключительно прочных сводчатых мостов сохранились на римских шоссейных дорогах.

«Восьмым чудом света» считался долгое время Каменный мост через Москва-реку, построенный в 1687 году. Это было замечательное сооружение. Мост состоял из семи речных и двух береговых пролётов, имея сто сорок метров длины и двадцать два метра ширины. На одном конце моста находилась высокая каменная башня с шестью npoходами, завершёнными сводами. В башне находилась канцелярия какого-то приказа, а под нею — торговля. На самом мосту, поражавшем всех своей шириной, располагались каменные палаты с лавками, пивными, таможней. Впоследствии взамен этого моста по проекту инженера К. Н.Воскобойникова был сооружён железный мост, но за ним, однако, было сохранено название «Большого каменного» моста, память о котором, как о «восьмом чуде света», хранили все, кому случалось видеть это сооружение.

Шедевром деревянного мостостроения являются проект и модель знаменитого моста гениального механика Ивана Петровича Кулибина через Неву. Сын нижегородского мещанина, он родился в 1735 году и в детстве был подручным в мучном лабазе своего отца. Но мальчик интересовался не тем, как наживать деньги, а совсем другим. Он любил всякие машины, приборы, механические устройства, которые хотел сам строить. Но единственный механизм, с которым мог юноша тогда познакомиться, были часы. Он так основательно изучил устройство всяких часов, от башенных, находившихся на церковной колокольне, до стенных деревянных с кукушкой, что вскоре сам стал делать всевозможные часы. В конце концов он построил часы величиной с гусиное яйцо, которые доставили Кулибину великую славу. Часы не только показывали время, отбивали время, половины и четверти часа, но и ежечасно разыгрывали целое представление на крошечном театре-автомате, находившемся в часах. Это был самый удивительный автомат, когда либо создававшийся человеком, и стоил изобретателю нескольких лет кропотливейшего труда и изобретательности. Когда о необыкновенном механике дошли слухи до Петербурга, Кулибина назначили на должность главного механика в Академию наук. Тут он должен был строить всякие научные приборы и обучать учеников своему искусству. В созданных Кулибиным при Академии мастерских изготовлялись подзорные трубы, телескопы, микроскопы, точные весы, барометры, электрические машины. Однако в столице Ивану Петровичу пришлось ещё более трудиться для царского двора. То ему заказывали подъёмную машину, то коляску-самокат для растолстевшей царицы, то заставляли делать фейерверки для празднеств, то приказывали найти способ освещения тёмных коридоров во дворце, то вызывали для починки каких-нибудь заграничных кукол-автоматов.

С гениальной находчивостью выполнял царские требования русский механик, вызывая всеобщее восхищение. Но сам он от праздной придворной жизни сторонился, знакомств с вельможами не заводил, крестьянской одежды своей не снимал и думал только о том, как бы своим трудом и талантом послужить простым людям, помочь им в тяжёлой жизни. В Петербурге Кулибин обратил внимание на отсутствие постоянных мостов через Неву, что было, действительно, бедствием для населения. Ранней весной и поздней осенью мосты были сняты, зимой приходилось перебираться по льду. Однако большая глубина Невы и сильное течение её вод казались в те времена непреодолимым препятствием к постройке постоянного моста, и столица обходилась временными мостами и перевозами на паромах и шлюпках. Человек острого, ясного и технически изощрённого ума, Кулибин, работая в Академии, начал обдумывать конструкцию такого моста, который не требовал бы установки свай и опор в глубокой и бурной реке. Сначала он думал построить арку моста в виде трубы из решётчатых ферм. Ферма — это сочленённая шарнирами система отдельных звеньев или стержней. Она обладает свойством геометрической неизменяемости и, таким образом, заменяет в сооружении сплошное твёрдое тело при значительном сокращении веса и объёма материала.
Испытанная модель, однако, не удовлетворила Кулибина. Тогда он начал обдумывать другой вариант, и в это время прочёл в «Санкт-Петербургских Ведомостях» сообщение о конкурсе, объявленном в Англии.
В 1772 году Лондонское королевское общество объявило международный конкурс на постройку лучшей модели такого моста, «который бы состоял из одной дуги или свода без свай и утверждён бы был концами своими только на берегах реки». Обращаясь к международному коллективу мостостроителей, англичане, очевидно, считали предлагаемую задачу технически весьма трудной, и это было действительно так. Хотя одноарочные мосты существовали уже долгое время, самый большой из них — через Рейн у Шиффгаузена — имел отверстие, или пролёт, в 60 метров; англичане же собирались перекинуть мост через Темзу, где одноарочный мост должен был бы иметь в четыре-пять раз большее отверстие.

Теперь для Кулибина дело шло уже не только об удовлетворении нужд столицы, но и о соревновании с инженерами всего мира. Иван Петрович отдался целиком решению трудной задачи и уже в 1773 году представил свой знаменитый проект деревянного Одноарочного моста через Неву. Считаясь с трудностями устройства опор на большой глубине при быстром течении реки, русский инженер решил задачу с гениальной смелостью и пленительным вдохновением. Он предложил перекрыть Неву арочным мостом в один пролёт, длиной в триста метров, с каменными опорами на берегах. Это было не только решение проблемы одноарочного моста через большую реку, это был и первый в мире мост из решетчатых ферм, которые впоследствии получили такое широкое применение в мостостроении. Насколько велика. была смелость мысли русского инженера, можно судить по тому, что и до сих пор самым большим из когда-либо построенных одноарочных деревянных мостов считается мост с отверстием в 119 метров через реку Лиммат в Швейцарии, построенный в 1788 году и сожжённый в 1799 году французами.

Профессор механики Московского университета Александр-Степанович Ершов, один из самых энергичных и авторитетных исследователей вопросов развития русской технической мысли, передаёт в одной из своих статей такую оценку «кулибинской арки», сделанную Дмитрием Ивановичем Журавским: «На ней печать гения; она построена по системе, признаваемой новейшею наукой самою рациональною; мост поддерживает арка, изгиб её предупреждает раскосная система, которая, по неизвестности того, что делается в России, называется американскою».»

Д. И. Журавский, как мы увидим дальше, был одним из великих русских инженеров, завоевавших себе непререкаемый авторитет в вопросах теории и практики мостостроения не только на родине, но и во всём мире. Его мнение о мосте Кулибина для нас особенно ценно тем, что оно устанавливает приоритет нашей страны в создании раскосной системы, над исследованием которой более всего трудился сам Журавский и теорию которой он дал в своём: знаменитом труде.
Замечательная работа А. С. Ершова «О значении механического искусства и о состоянии его в России», опубликованная в 1859 году, осталась маловлиятельной, хотя в ней автор восстанавливал историческую правду не в отношении одного только Кулибина, а в отношении целого ряда русских механиков.

Проделав все предварительные расчёты и произведя немало опытов, Кулибин построил модель своего моста длиной около 30 метров. Модель подверглась испытаниям в присутствии виднейших петербургских академиков. Модель выдержала нагрузку в три тысячи пудов, что составляло предел её выносливости по расчёту. Кулибин распорядился увеличить нагрузку ещё на пятьсот пудов, а когда не хватило во дворе грузов, предложил взойти на мост всем присутствующим. Модель выдержала и эту добавочную нагрузку. В протоколе испытаний было записано, что проект правилен и что вполне возможно построить по нему мост через Неву с пролётом в 140 сажен, то есть около 300 метров.

Проект Кулибина удовлетворял полностью и условиям конкурса, так как он был больше даже по отверстию, чем требовалось для перекрытия Темзы. Понимая, что деревянный мост недолговечен, Кулибин выдвинул в 1799 году идею железного моста, а в 1818 году составил его проект и построил модель. Это был арочный мост в три пролёта, общей длиной в 130 сажен, с пропуском для кораблей у берегов. Превосходную модель этого моста, хранившуюся в музее Института путей сообщения, могли видеть все последующие русские мостостроители.

В чём заслуга Ивана Петровича Кулибина?

Он дал качественно новую конструкцию деревянного моста вместе с подробным описанием работ для осуществления этого сложнейшего сооружения. Как конструктор он ввёл в практику ряд новых экспериментов над отдельными частями сооружения, применив для этого изобретённые им самим приборы. Он не ограничился одними опытами, но изложил теорию работы конструкции по испытываемой модели. Наконец, он первый поднял вопрос о железе как материале для мостов, в то время, когда ещё весь мир довольствовался камнем и деревом.

Даниил Бернулли, русский академик, один из величайших умов того времени, получив сообщение об испытании модели кулибинского моста, запрашивал своего корреспондента:
«Пожалуйста, уведомьте меня, какова высота модели в своей середине сравнительно с её оконечностями и каким образом этот великий артист разместил три с половиной тысячи пудов тяжести на своей модели». Мост Кулибина был событием в истории инженерного дела и чрезвычайно способствовал дальнейшему развитию мостостроения. Мысль Кулибина о применении железа в мостостроении была вскоре осуществлена, хотя и не в России. Простейшей формой железного моста является также балочный мост. Он представляет собой железную ферму, уложенную на особых устоях и передающую им давление по вертикальному направлению. Сначала фермы делали из чугунных балок, но вскоре перешли к железным.

Ряд трубчатых железных балок образует простейший мост, часто встречающийся на железных дорогах при небольших пролётах; при больших же такие балки становятся тяжёлыми и поэтому их сплошную вертикальную стенку заменяют сквозной, состоящей из двух рядов плоских раскосов: часть их работает на сжатие, часть — на растяжение. Такая балка представляет собой уже раскосную ферму. Фермы укладывают целыми по всей длине моста или разрезают на каждом устое. Для удобства сборки перешли от балочных мостов к консольным моста м,— у них фермы, покрыв один пролёт, повисают над следующим. Два таких пролётных сооружения с висящими концами, или «консолями», соединяются так называемой подвесной фермой и покрывают третий пролёт.
Мостостроение в своём дальнейшем развитии перешло к более сложным фермам с кривым верхним или нижним поясом. Разнообразные требования, предъявляемые мостостроителям, заставили их создавать соответствующие этим требованиям конструкции. Требования эти так широки и разнородны, что можно говорить об искусстве мостостроения. Многие, особенно большие, мосты строятся каждый по-иному, в зависимости от их назначения условий места и т. п.

Постройка мостов заканчивается их испытанием путём соответствующей заданию нагрузки. В европейской практике бывали случаи разрушения мостов при их испытании. В русской практике подобные происшествия, во всяком случае при сооружении больших мостов, совершенно неизвестны. Проблема железнодорожного моста с большими отверстиями, или пролётами, лёгкого и прочного, встала во всём своём объёме перед русскими инженерами уже при прокладке первой русской магистрали — Петербургско-Московской железной дороги. Полностью эта проблема была решена Станиславом Валерьяновичем Кербедзом и Дмитрием Ивановичем Журавским. Деятельность их тесно связана с постройкой первых русских железных дорог.