Исторический обзор применения висячих мостов

Висячие мосты занимают видное место в истории мостостроения. Они появились на заре развития человеческого общества и в ранний период имели весьма примитивные конструктивные формы. Через ущелье, горный поток или овраг перекидывалось две или несколько толстых веревок, иногда просто лиан (Основные несущие элементы); пространство между ними застилалось или закладывалось досками, и мост был готов. Иногда протягивался еще один свободный канат, чтобы служить поручнем. Такого типа мосты встречались в Южной Америке, Японии, Тибете, на Кавказе и в других местах. Они были весьма несовершенны, обладали малой грузоподъемностью, плохо сопротивлялись ветровым нагрузкам и сильно раскачивались даже от тяжести одного человека. Изображенный на рис. 1 (сверху) висячий мост имел пролет 40 м, ширину 2,5 м и был укреплен на деревьях, стоящих на берегах. На канатах моста, сделанных из агавы, был уложен легкий бамбуковый настил.

В Китае около 3000 лет тому назад начали строить висячие мосты, настил на которых укладывался непосредственно на туго натянутых цепях или канатах, закрепляемых в скалах на берегах.

Первый висячий мост, описанный в литературе, конструктивная схема которого близка к современным схемам висячих мостов, был построен в 1741 г. в Англии через реку Тисс. Характерной особенностью этого моста являлось наличие самостоятельной проезжей части, соединенной с цепью подвесками. Этот мост имел пролет 21 м и служил для прохода горнорабочих.

За истекшие 266 лет с момента открытия указанного выше моста во всех странах мира было построено большое количество висячих мостов, конструкция которых постоянно совершенствовалась, а пролеты увеличивались. Уже в начале XIX века выявились их экономические преимущества перед каменными. К концу XIX века мосты имели уже значительные пролеты. Пролетные строения стали опирать не на цепные, а на кабельные подвесы из высокопрочных материалов Переход от примитивных конструкций висячих мостов к современным системам относится к XVII—XVIII вв. и связан с именами испанца Веррантиуса (дал с своем сочинении описание висячих мостов на железных цепях, где указывалась конструкция с отделением полотна моста от поддерживающих цепей. Полотно прикреплялось к цепям на подвесках), француза Пойе (предложил систему, в которой полотно моста поддерживалось вантами, идущими от двух высоких мачт) и англичанина Джеймса Финли. Последний получил на свою висячую систему патент в 1808 году, в которой цепь выполнялась из кованых звеньев, соединенных между собой по длине моста короткими соединительными звеньями в местах подвесок, расположенных друг от друга на равных расстояниях. Цепи на берегах опирались на каменные столбы и были пропущены в анкерные устои, где и закреплены в них своими концами. К подвескам была подвешена проезжая часть моста, состоящая из поперечных балок и настила.

Первые висячие мосты, оказавшиеся способными соответствовать современным требованиям, были построены в Северной Америке в конце XVIII столетия (более 50 мостов). Первый висячий мост был построен Джеймсом Финли в Пенсильвании в 1796 г. В начале XIX века в этом штате существовало уже довольно много таких мостов. Самым крупным из них был мост в 91,8 м через реку Скукл (Schuylkill) близ Филадельфии.

Характерно, что ни один из висячих мостов раннего периода строительства не имел каких-либо ветровых связей, так как считалось, что цепь имеет естественную форму равновесия и будет к ней возвращаться, независимо от величины и направления прогибов.

Итак, в первом периоде, продолжавшемся примерно до 1810 г., строились, как правило, цепные мосты небольших пролетов. Они обладали значительным собственным весом и сравнительно небольшой грузоподъемностью. Основным несущим элементом таких мостов являлась цепь, составленная из колец или отдельных жестких элементов, соединенных между собой болтами (шарнирами).

В начале XIX века уже выявились экономические преимущества висячих мостов по сравнению с каменными мостами, которые имели в то время широкое распространение. Так, например, построенный в 1820 г. в Англии висячий мост через реку Твид пролетом 110 м стоил примерно в 4 раза дешевле каменного моста такой же длины.

Британские инженеры последовали примеру американцев, в результате чего на протяжении первой четверти XIX века было построено много цепных мостов и в Англии. Крупнейший из них — мост Меней, соединяющий берег Уэльса с островом Англси, был спроектирован и построен Томасом Тельфордом. Строительство велось с 1822 по 1826 гг. В 1826 г. в Англии состоялось открытие Менейского цепного моста, который прослужил около ста лет, имел пролет 177 м при отношении стрелы к пролету 1/12.

В этот же период был построен еще ряд мостов во Франции, США и других странах, пролеты которых не превышали 150 м.

Строительная практика висячих мостов опережала теоретическую их разработку, так как строившиеся висячие мосты, состоявшие из цепи, к которой подвешена проезжая часть, представляли собою гибкую изменяемую систему, что приводило к колебаниям и большим прогибам таких примитивных висячих мостов, к расстройству соединений, авариям и катастрофам.

Однако, несмотря на неблагоприятные последствия разрыва между практикой строительства висячих мостов и состоянием теоретической разработки этого вопроса, висячие мосты были незаменимыми системами для больших пролетов (применение их вызывалось низким состоянием техники постройки опор мостов), а обрушенные мосты вновь и вновь восстанавливались и усиливались.

По неполным статистическим данным из висячих мостов больших пролетов от 60 м и выше, построенных начиная с 1741 г. по 1885 г., 82 моста просуществовали от 50 до 120 лет, 30 мостов — от 20 до 50 лет и 6 мостов — менее 10 лет.

Несмотря на отрицательные качества простейшей формы висячего моста, эти мосты оказались не менее долговечными, чем другие системы мостов, что объясняется простотой усиления и реконструкции, которой характеризуются висячие мосты.

Для небольших, в то время существовавших, нагрузок гибкость системы моста не вызывала каких-либо сомнений в прочности моста и не затрудняла движения по нему «легких нагрузок», вследствие чего инженеры того времени заблуждались, считая преимуществом и естественными природными качествами гибких висячих мостов возвращение гибкой цепи или каната моста к его первоначальному виду, после прохода нагрузки, т. е. стремились теорию висячих мостов построить на использовании простейшей формы естественного равновесия каната, переброшенного с берега на берег.

Гибкие мосты простейшего типа получили наибольшее развитие после 1822 г., когда был изобретен кабель из проволоки с высокими допускаемыми напряжениями и с прядением этого кабеля на месте из отдельных проволок или прядей при сооружении висячих мостов.

Вторая четверть XIX века ознаменовалась широким применением кабельных висячих мостов, в которых основной несущий элемент (цепь) был заменен тросом (проволочным кабелем). Это привело к значительному прогрессу, так как кабель обладал более высокой прочностью по сравнению с цепью. Изобретение стальных проволочных канатов дало возможность строить мост навесу без подмостей и расширить строительство висячих мостов до весьма больших пролетов В этот период был построен целый ряд кабельных мостов во Франции, Англии, Америке и других странах.

Открытый в 1834 г. висячий мост в Швейцарии близ Фрейбурга оказался в то время уникальным. Он имел пролет 265 м, стрелку кабеля 1/14 пролета, ширину проезжей части 6,5 м и перекрывал долину реки на высоте 51 м над уровнем воды. Мост подвешен на 4 кабелях, диаметром по 135 мм, причем каждый кабель состоял из 1056 проволок толщиною 3,8 мм с временным сопротивлением 82 кг/мм².

Увеличение временных нагрузок, неправильная заделка канатов и. цепей в устоях, а также действие ветра, приводившее к большим колебаниям всей системы (основанной на примитивном использовании естественной формы равновесия каната) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, привели в ряде мостов к тяжелым катастрофам и авариям.