Как правило, мосты состоят из пролётных строений и опор. Пролётные строения служат для восприятия нагрузок и передачи их опорам; на них может располагаться проезжая часть, пешеходный переход, трубопровод и так далее. Опоры переносят нагрузки с пролётных строений на основание моста.
Пролётные строения состоят из несущих конструкций: балок, ферм, диафрагм (поперечных балок) и собственно плиты проезжей части. Статическая схема пролётных строений может быть арочной, балочной, рамной, вантовой или комбинированной; она определяет тип моста по конструкции. Обычно пролётные строения прямолинейны, однако в случае необходимости (например, при постройке эстакад и дорожных развязок) им придают сложную форму: спиралеобразную, кольцевую, и так далее.
Пролётные строения поддерживаются опорами, каждая из которых состоит из фундамента и опорной части. Формы опор могут быть весьма разнообразными. Промежуточные опоры называются быками, береговые — устоями. Устои служат для соединения моста с подходными насыпями.
Схема моста — формула, в которой последовательно представлены размеры расчётных пролётов — расстояния между центрами опорных частей пролётных строений. Если несколько последовательных опорных частей имеют одинаковый размер, указывается их количество, помноженное на размер каждого. Например (вымышленный «мост»), схема моста 5+3x10+4 м значит, что у первого пролётного строения моста расчётный пролёт — 5 метров, три следующих — по 10 метров каждый и пятый — 4 метра[11].
Выделяют также трубопроводные мосты, акведуки (используются для транспортировки воды) и виадуки (мосты через овраги или ущелья; соединяют точки, равные по высоте).
По статической схеме мосты делятся на балочные, распорные и комбинированные.
Балочные — самый простой вид мостов. Предназначены для перекрытия небольших пролётов. Пролётные строения — балки, перекрывающие расстояние между опорами. Основная отличительная особенность балочной системы состоит в том, что с пролётных строений на опоры передаются только вертикальные нагрузки, а горизонтальные отсутствуют. Балочные мосты разделяют на следующие типы:
Разрезная система — состоит из ряда балок, причём одна балка перекрывает один пролёт. Система статически определима и может применяться при любых типах грунтов. Недостатки: большое количество деформационных швов и обязательное наличие двух опорных частей на каждой промежуточной опоре. Самый длинный консольный мост (г. Квебек, Канада)
Неразрезная система — одна балка пролётного строения перекрывает несколько пролётов или сразу все. Таким образом, пролётное строение неразрезной системы рассчитывается как многоопорная статически неопределимая балка с использованием метода сил, метода перемещений или других методов расчёта статически неопределимых систем, применяемых в строительной механике. Неразрезная система хороша меньшим, чем в разрезной, количеством деформационных швов и меньшей строительной высотой. Недостаток такой системы — чувствительность к деформации основания.
Консольный мост — состоит из двух типов балок. Одни балки опираются на две опоры и имеют консольные свесы. Другие балки называются подвесными, поскольку опираются на соседние балки. Соединение балок осуществляется при помощи шарниров. Достоинством консольной системы является её статическая определимость, а следовательно, лёгкость расчёта и нечувствительность к грунтам. К недостаткам системы можно отнести большое количество и сложность устройства деформационных швов шарнирного типа, а также нарушение комфортности проезда в зоне шарниров. В настоящее время мосты такой системы сооружаются редко.
Температурно-неразрезная система — состоит из двухопорных балок, объединённых в цепь с помощью верхней соединительной плиты. Под действием вертикальных нагрузок такая система работает как разрезная, а под действием горизонтальных — как неразрезная. Её достоинством является меньшее количество деформационных швов, а недостатком — обязательное наличие двух опорных частей на каждой промежуточной опоре.
Во всех вышеперечисленных схемах мостов пролётные строения могут изготавливаться как в виде сплошных балок различного сечения, так и в виде решётчатых конструкций, то есть ферм.
Ферменные — как правило, железнодорожные мосты с пролётом свыше 50 м. Преимущества фермы — лёгкая конструкция, позволяющая перекрывать достаточно большие пролёты (обычно от 40 до 150 м). Фермы изготавливают из стандартного стального проката. Единственная в мире эксплуатируемая железобетонная мостовая ферма находится в г. Белово Кемеровской области на подъездных железнодорожных путях предприятия.
Распорные системы — отличаются от балочных тем, что нагрузки, передаваемые с пролётных строений на опоры, имеют не только вертикальную, но и горизонтальную составляющую, называемую в строительной механике распором. Выделяют несколько разновидностей распорных систем, довольно сильно отличающихся друг от друга:
Арочный мост — классический тип каменного моста, известный с глубокой древности: основными несущими конструкциями являются арки или своды. Арка — криволинейный брус, у которого поперечный размер меньше высоты. Свод — криволинейный брус, у которого ширина сечения значительно больше высоты.
Висячие — мост, в котором основная несущая конструкция выполнена из гибких элементов (канатов, цепей и др.), работающих на растяжение, а проезжая часть подвешена. Этот вид представляют все крупнейшие по длине и высоте пролёта мосты мира. Интересным вариантом висячего моста является живой корневой мост, распространённый на востоке Индии.
Вантовые — разновидность висячих мостов: функцию основной несущей конструкции выполняет вантовая ферма, выполненная из прямолинейных стальных канатов. Ванты прикреплены к пилонам — высоким стойкам, монтируемым непосредственно на опорах. Пилоны в основном располагаются вертикально, но не исключено и наклонное их расположение. К вантам крепится балка жёсткости, на которой располагается мостовое полотно. Ванты располагаются под углом наклона к горизонтали не менее 30 градусов, так как в противных случаях в них возникают большие усилия, и жёсткость сильно уменьшается. Балку жёсткости лучше выполнять коробчатого сечения, поскольку это улучшает её работу на кручение от временных нагрузок и от действия ветра. Наиболее часто вантовая система применяется при перекрытии глубоких и/или широких рек и в городских условиях.
Рамная система — состоит из рам, стойки которых выполняют функцию опор, а ригели — функцию пролётных строений. По форме рамы могут быть Т-образными, П-образными, а также иметь две наклонные стойки и консольные свесы (специального названия не имеют). Достоинствами рамной системы являются небольшая строительная высота и увеличенное по сравнению с балочными системами подмостовое пространство. Всё это делает рамные конструкции удобными для путепроводов и эстакад. Также данная система может быть применена в горных условиях из-за того, что там в силу особенностей рельефа нельзя понизить уровень проезда. Недостатками рамной системы являются сложность строительства и чувствительность к деформации основания. Такие системы в настоящее время малоприменимы из-за дороговизны и специфичности.
Комбинированная схема — наиболее часто встречается балка с арочной подпругой; как правило, это городские мосты через большие реки.
По уровню проезда
С ездой понизу: чаще всего сквозные фермы или арочные; все виды висячих мостов; встречаются также балочные конструкции, где подвижная нагрузка передвигается между основными несущими элементами;
С ездой посередине: чаще всего арочные конструкции, в которых пяты арок находятся значительно ниже, а замок — выше уровня проезжей части;
С ездой поверху: подавляющее большинство классических балочных, а также рамных конструкций; встречаются также фермы и реже арки.
Разводные мосты
Особый тип мостов — разводные мосты. В разведённом состоянии мост не мешает проходу судов. Своими разводными мостами знаменит Санкт-Петербург, где все мосты через Неву, кроме Большого Обуховского моста, являются разводными.
второй тип: пролёт или пролёты поднимаются, поворачиваясь вокруг одного из шарниров (например, Дворцовый мост в Санкт-Петербурге);
поворотные мосты: у таких мостов средняя часть шарнирно укреплена на стоящей в середине реки опоре. Мост разводится поворотом средней части на 90°, таким образом средняя часть становится параллельна руслу реки. Примером такой конструкции служит Варваровский мост в украинском городе Николаеве, поворотный пролёт которого имеет длину 134 м, и мост в Валенсии, по которому проложена трасса для гонок Формулы-1.
История
Природным прототипом моста являлось дерево, упавшее с одного берега ручья (или небольшой речки) на другой.[13] Затем люди для обустройства переправы специально перетаскивали один конец ствола большого дерева на другой берег и закрепляли его. С появлением верёвок, плавающие на воде брёвна стали крепко связывать между собою для образования сплошного деревянного мостового настила от берега до берега. Позже, для придания жёсткости, и для сопротивления течению реки и ледоходу, на небольшой глубине, мостовые конструкции подпирали длинными брёвнами-сваями, воткнутыми в мягкое илистоедно реки, или же опускали на дно реки большие бревенчатые ящики-срубы (ряжи), и засыпали их тяжёлыми камнями.
В густых джунглях, для преодоления ручьёв и опасных затягивающих трясин болот, использовались свисающие с ветвей больших деревьев и переплетающиеся между собой вьющиеся лианы. В Индии до XXI века выращиваются живые корневые мосты. В устьях многих тропических рек прямо из воды густыми зарослями растут мангры, чьи корни всегда приподнимаются над водой, даже во время морских приливов, на которые иногда крепят настилы мостовых переходов с одного берега протоки на другой. У древних инков были распространены верёвочные мосты, представляющие собой простейшую форму висячих.
В гористых областях иногда встречаются природные каменные мосты[14], когда после камнепадов, оползней и селей, перегораживавших узкие бурные потоки на дне ущелий, вода, со временем, размыла часть запруды, и под огромными каменными глыбами образовались протоки для горных ручьёв. По этим камням уже можно перебраться на противоположный берег горного ручья. Следующим шагом к созданию каменных мостов на отмелях, перекатах, шиверах, и неглубоких речных порогов, где уже существовали броды, было выставление больших камней плотной цепочкой, перешагивая по которым с одного торчащего из-под воды камня на другой, можно было, уже не замочив ноги, перебраться на другой берег. Затем на выступающие из воды камни стали укладывать и закреплять брёвна, доски или большие, специально обтёсанные, каменные плиты-мегалиты. В других случаях, подбирали (или подтёсывали) подходящие по размеру клиновидные камни, из которых выкладывали над водой устойчивый полукруглый свод-арку.
С изобретением колеса люди научились перемещать огромные каменные глыбы для сооружаемых прочных мостов, необходимых для проезда многочисленных тяжёлых повозок. В образовавшихся крупных рабовладельческихимпериях ещё более возросло значение мостов, связующих дороги, по которым могли быстро передвигаться войска для совершения внезапных завоевательных походов или для защиты самых отдалённых провинций, подвергшихся нападению извне, а также для развитой торговли, сбора дани, пошлин и почтовых служб. Особенно в строительстве мостов преуспела Римская империя. Некоторые древнеримские мосты сохранились до XXI века, удивляя своей грандиозностью и изяществом.[15]
Пошёл Ярополк на брата своего Олега в Деревскую землю. И вышел против него Олег, и исполчились обе стороны. И в начавшейся битве победил ЯрополкОлега. Олег же со своими воинами побежал в город, называемый Овруч, а через ров к городским воротам был перекинут мост, и люди, теснясь на нём, сталкивали друг друга вниз.Повесть временных лет[18]
В XII столетии в Киеве появился наплавной мост через Днепр. В то время наиболее распространёнными на Руси были арочные деревянные мосты[19].
В XVI и XVII веках появилась необходимость в ещё более крупных мостах, которые могли бы пропускать большие корабли. В XVIII веке высота пролёта мостов достигает более чем 100 м.
Швейцарские плотники братья Ганс Ульрих Грубенман[нем.] и Иоганнес Грубенман[нем.] первыми применили принципы строительства деревянных арочных мостов со стропильными фермами, что сделало возможным постройку более длинных и прочных деревянных мостов. Первый из трех мостов, принесших им славу, был построен в 1755 году Гансом Ульрихом через Рейн у Шаффхаузена. Затем Иоганнес построил однопролетный мост у Рейхенау длиной 73 м. В 1758 году братья начали работу над 60-метровым мостом у Ветингена. Несмотря на то что все три эти моста позднее были уничтожены, работы Грубенманов оказали существенное влияние на проектирование мостов во всей Европе[20].
Нереализованным остался проект деревянного одноарочного моста через Неву длиной 298 м, составленный Иваном Петровичем Кулибиным.
В XIX веке появление железных дорог потребовало создания мостов, способных выдерживать значительные нагрузки, что стимулировало развитие мостостроения. Постепенно в качестве основных материалов в мостостроении утверждаются чугун и сталь. Из них строили как висячие, так и арочные мосты. В 1826 году в Великобритании был построен висячий мост через пролив Менай с пролетом 177 м, а в 1834 году был построен висячий мост[фр.] во Фрибуре (Швейцария) с пролетом 246 м. Первым большим балочным металлическим мостом был мост «Британия», построенный в 1850 году через пролив Менай[21].
В XX веке мосты стали строить также из железобетона. Этот материал выгодно отличается от стали тем, что не требует регулярной покраски. Железобетон применялся для балочных пролётных строений до 50 м, а арочных — до 250 м. Продолжает применяться и металл — в XX веке были построены крупные металлические мосты — балочный через реку Святого Лаврентия в Канаде (длина пролёта 549 м), через пролив Килл-ван-Килл в США (503,8 м), а также мост «Золотые ворота» в Сан-Франциско, США (длина главного пролёта — 1280 м).
Благодаря появлению мощных стальных тросов, распространяется строительство огромных висячих мостов. Крупнейшие мосты современности, в том числе, высочайшие в мире Виадук Мийо и мост Акаси-Кайкё (длина главного пролёта 1991 м), относятся к вантовым и подвесным. Подвесные пролётные строения позволяют перекрывать наибольшие расстояния.
Строительство мостов
Первым (и самым дорогим — до 50 % расходов от общей стоимости строительства) этапом в построении моста является возведение опор. На берегу опоры сооружают в открытых котлованах и в опускных колодцах. На месте каждой будущей опоры на дне реки, залива или пролива, рыхлый слой ила удаляют земснарядами[22] до располагающейся под этим илом более твёрдой, желательно скальной, монолитной породы, на которой затем с помощью кессонов, водолазов[23] и подводныхроботов-манипуляторов[24] под водой устанавливают[25]опалубку с арматурой и бетонируют. Слоями железобетонную конструкцию наращивают вверх, пока она не вырастет из-под воды на нужную для данной опоры высоту.
При строительстве малых и средних мостов в качестве опор часто используют множество свай — несущих оболочек. Их погружают в грунт при помощи дизельных молотов и электрическихвибропогружателей. При возведении больших мостов используют в основном сборные оболочки свай диаметром до 3 м. В настоящее время наиболее популярным фундаментом на свайном основании является фундамент на буронабивных сваях (БНС), сооружаемых бурением в обсадной инвентарной трубе. Данная конструкция применяется как на суше, так и на акватории.
Пролётные строения обычно устанавливают на опоры монтажными кранами. При строительстве больших мостов пролётное строение нередко собирают на берегу и затем перемещают (надвигают) по опорам с одного берега на другой. Навесной метод установки предполагает наращивание конструкции от опоры моста в его пролёт. При этом применяют навесной монтаж с помощью крана, двигающегося по уже построенной части (для металлических пролётных строений) или же навесная сборка с изготовлением отдельных элементов на заводе и последующей транспортировкой их к объекту (для железобетонных).
С середины 90-х годов XX века начала применяться технология изготовления плитно-ребристых пролётных строений из монолитного предварительно напряжённого железобетона[26]. Данная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с сооружением пролётного строения из сборных элементов[27].
Иначе происходит строительство навесных мостов: оно начинается с установки пилонов; затем на них подвешиваются временные кабели. С их помощью производится навивка основных кабелей моста, после чего монтируют подвески и балку жёсткости.
Для сокращения затрат на строительство мостов уменьшают их длину, заваливая землёй некоторые мелководные акватории заливов, проливов и русел рек. Вместо больших и дорогостоящих мостов сооружаются транспортныедамбы и искусственные острова, дополненные сравнительно небольшими и дешёвыми мостами.
Архитектура мостов
Многие мосты являются выдающимися памятниками зодчества и инженерного искусства. В некоторых городах, таких как Санкт-Петербург или Прага, мосты являются неотъемлемой частью городской архитектуры[19].
В классическом стиле выполнены многие древнеримские мосты: почти лишённые декора, они, тем не менее, за счёт своей массивности и выразительной архитектоники создают ощущение прочности и надёжности (мост Алькантара на реке Тахо, Испания).
В Средние века двумя преобладающими типами стали мосты с полуциркульными (или круговыми) арками и мосты со стрельчатыми арками. Первый тип основывался на римской традиции, второй был заимствован из восточной архитектуры и вскоре потерял популярность, так как неоправданно увеличивал высоту моста. Ещё одним явлением в средневековом мостостроении стали мосты-улицы, появившиеся во всех крупных европейских городах (например, Понте Веккио во Флоренции). В Средние века на мостах появился декор (это произошло в конце XIV века): например, оформленный в готическом стилеКарлов мост в Праге.
Совершенствование техники мостостроения в Эпоху Возрождения позволило значительно увеличить соотношение толщины свода к высоте пролёта. Благодаря этому мосты стали более высокими и лёгкими по конструкции[19]. Совершенствуется конструкция каменных мостов: появляются круглые и коробовые своды (Новый мост в Париже). В целом же прослеживается тенденция к подражанию античной архитектуре. Чуть позже появилось барокко, тяготевшее к динамичным композициям и пышному декору. Широко известен барочный Мост Вздохов в Венеции.
К середине XIX века сформировались основные формы металлических мостов. В этот период большое распространение получили решётчатые балконные фермы. Значительное развитие получили конструкции арочных мостов (см., например, виадук Гараби, построенный Густавом Эйфелем). В конце XIX века популярность приобретают висячие мосты: в 1883 году в США был построен Бруклинский мост, чуть позже — Манхэттенский. Висячие мосты сохраняют свою популярность в XX (мост «Золотые ворота») и XXI веке.
