Мосты - зеркало цивилизации. История мостостроения и мостостроительной науки


А. И. Васильев








                МОСТЫ                 ЗЕРКАЛО ЦИВИЛИЗАЦИИ




 ИСТОРИЯ МОСТОСТРОЕНИЯ И МОСТОСТРОИТЕЛЬНОЙ НАУКИ











Москва Вологда Инфра-Инженерия 2021

УДК 624.21
ББК 39.112
      В191












     Васильев, А. И.
В191 Мосты - зеркало цивилизации. История мостостроения и мостостроительной науки / А. И. Васильев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 252 с. : ил.
           ISBN 978-5-9729-0631-4

           Прослеживается история развития мостостроения и мостостроительной науки. Даётся характеристика каждому знаковому периоду этой истории. Приводятся краткие сведения об учёных и инженерах, внёсших значительный вклад в строительную механику, сопротивление материалов, теорию расчёта и нормирование мостовых сооружений. Анализируются достижения отечественных учёных и инженеров. Текст книги иллюстрируется фотографиями мостов - памятников своего времени.
           Для научных работников и инженеров, специализирующихся в области мостостроения, а также аспирантов и студентов, обучающихся по специальности «Мосты и транспортные тоннели». Издание заинтересует любознательных читателей, которые хотели бы узнать о мостах больше.

УДК 624.21
ББК 39.112










ISBN 978-5-9729-0631-4

      © Васильев А. И., 2021
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.............................................7
ВВЕДЕНИЕ................................................8
ГЛАВА 1. ЭМПИРИЧЕСКИЙ ПЕРИОД...........................13
  1.1. Первые мосты....................................13
  1.2. Мосты Древнего Рима.............................16
ГЛАВА 2. ИНЖЕНЕРНЫЙ ПЕРИОД.............................20
  2.1. Мостостроение в Средние века....................20
     2.1.1. Европейские мосты..........................20
     2.1.2. Мосты на Руси..............................22
  2.2. Начало строительной науки.......................26
  2.3. Последние «дожелезные» мосты (XVIII век)........31
ГЛАВА 3. ВРЕМЯ ЧУГУНА..................................37
  3.1. Немного истории.................................37
  3.2. Первые чугунные мосты...........................37
  3.3. Чугунные мосты в России.........................39
ГЛАВА 4. ЖЕЛЕЗНЫЙ ВЕК МОСТОВ...........................42
  4.1. Висячие (цепные) мосты..........................42
  4.2. Железные мосты и развитие строительной механики.45
  4.3. Железные дороги.................................46
  4.4. Металлические мосты XIX века....................48
  4.5. Развитие методов расчёта мостов в XIX веке......54
  4.6. Учёные-механики XIX века........................57
ГЛАВА 5. НАЧАЛО ЭРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА.......................63
ГЛАВА 6. МОСТОСТРОЕНИЕ - САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ОТРАСЛЬ
СТРОИТЕЛЬСТВА..........................................67

3

  6.1. Нормы нагрузок.....................................67
  6.2. Нормы прочности....................................70
  6.3. Вклад в мостостроение российских учёных и инженеров во второй половине XIX века и начале XX века.............71
ГЛАВА 7. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ XX ВЕКА
И МОСТОСТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА..................................83
  7.1. «Автомобиль - не роскошь, а средство передвижения».83
  7.2. Совершенствование норм и методов расчёта мостов.....88
      7.2.1. Нормы подвижных нагрузок на мосты.............88
      7.2.2. Прочность строительных материалов.............95
      7.2.3. Методика расчёта по предельным состояниям.....97
      7.2.4. Исследования надёжности мостовых конструкций.105
      7.2.5. Экспериментальные исследования...............111
      7.2.6. История экспериментальных исследований.......111
      7.2.7. Экспериментальные исследования в XX веке.....114
  7.3. Натурные исследования мостов.......................117
      7.3.1. Оценка технического состояния мостов.........117
      7.3.2. Обследования мостов..........................119
      7.3.3. Испытания мостов.............................120
ГЛАВА 8. РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ МОСТОСТРОИТЕЛЬНОЙ НАУКИ
В XX ВЕКЕ.................................................125
  8.1. Исследования динамических воздействий на мостовые конструкции.............................................125
  8.2. Пространственные расчёты мостов....................132
  8.3. Отечественные научные школы мостостроения..........134
ГЛАВА 9. МОСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕXНОЛОГИИ В СССР
В ПЕРИОД 1930-1990 ГОДОВ..................................147
  9.1. Отечественные инженеры - проектировщики мостов.....147
  9.2. Типовые конструкции................................151
  9.3. Железобетонные типовые пролётные строения..........151

4

  9.4. Стальные решётчатые типовые пролётные строения....158
  9.5. Железобетонные мосты больших пролётов............159
      9.5.1. Мосты из обычного железобетона.............159
      9.5.2. Мосты с предварительно напряжёнными конструкциями пролётных строений................................161
      9.5.3. Железобетонные пролётные строения коробчатого сечения, составные по длине.......................164
  9.6. Сталежелезобетонные мосты........................169
  9.7. Стальные пролётные строения с ортотропной плитой проезжей части........................................174
  9.8. Фундаменты на сваях-оболочках и столбах..........179
  9.9. Конструктивно-технологические решения монтажных стыков......................................182
ГЛАВА 10. ЗАРУБЕЖНЫЕ МОСТЫ XX ВЕКА......................184
  10.1. Мосты XX века в Америке.........................184
  10.2. Мосты XX века в Европе..........................187
  10.3. Сверхбольшие мосты в других частях света........194
  10.4. Видные зарубежные инженеры-мостовики в XX веке...201
ГЛАВА 11. МОСТЫ В ПОСТИНДУСТРИАЛЬНУЮ 3nOXy..............203
  11.1. Великая мировая компьютерная революция..........203
  11.2. Расчёты по методу конечных элементов............204
  11.3. Непрерывный удалённый мониторинг состояния конструкций...........................................205
  11.4. Внедрение в мостостроение BIM-технологий........207
  11.5. Сверхбольшие мосты..............................210
  11.6. Мосты - не только мосты.........................222
  11.7. Фантазии на тему мостов.........................226
  11.8. Об очень нужных мостах, которых пока нет.........230
ГЛАВА 12. ФИЛОСОФИЯ СОВРЕМЕННОГО МОСТОСТРОЕНИЯ..........234

5

  12.1. Требования к сооружениям.......................235
  12.2. Концепция и критерии...........................236
  12.3. Конкуренция....................................237
  12.4. Опыт, информация и образование.................238
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................240
ЛИТЕРАТУРА.............................................241

6

Моим друзьям по цеху





    ПРЕДИСЛОВИЕ



     Дорогие читатели!
     Должен признаться, что не могу однозначно определить жанр этой книги.
     Её можно рассматривать как монографию, содержащую исторический обзор и анализ развития мостов и мостостроительной науки, которая предназначена для научных работников, преподавателей и аспирантов, поскольку помогает расширить их профессиональный кругозор.
     Её можно рассматривать как учебное пособие для студентов, изучающих курс истории мостостроения, как введение в мостовую специальность.
     Её можно рассматривать в качестве исторического справочника для проектировщиков и обследователей мостов.
     Наконец, её можно читать всем любознательным как научно-популярную литературу, посвящённую таким удивительным созданиям - мостовым сооружениям.
     Содержащиеся в книге сведения о мостах, биографические данные, отдельные результаты научных исследований взяты из литературных источников, интернета (с перепроверкой), а также из собственных работ автора.
     Я выражаю признательность моим коллегам по кафедре мостов, тоннелей и строительных конструкций МАДИ, товарищам из Научно-исследовательского института мостов и гидротехнических сооружений (НИИ МИГС) за дружескую поддержку.
     Я также выражаю глубокую благодарность за помощь в подготовке материалов для книги, в её редактировании и оформлении Хазанову Михаилу Львовичу, Мозалеву Сергею Владимировичу, Тарасову Альберту Михайловичу и Кришману Борису Исааковичу.


7

    ВВЕДЕНИЕ




            Куда бы ни двинулась моя мысль и на чем бы она ни остановилась, я нахожу верные и безмолвные мосты как неизбывное и неутолимое стремлениелюдей связать, примирить, соединить все, что открывается нашему взгляду, разуму и ногам, дабы избежать раздела, противоположности и разлуки.
ИвоАндрич

     Название этой книги выбрано не как фигура речи. Мосты, действительно, являются зеркалом и даже движителем цивилизации, поскольку на каждом историческом этапе впитывают её достижения и служат дальнейшему её развитию, способствуя интеграции человеческого сообщества.
     Мосты обозначает категорию, относящуюся не только к технике, но имеющую также глубокий социальный, гуманитарный смысл.
     Человек, едва ощутив себя социальным субъектом, то есть научившись говорить и обобщать, понял, что в борьбе за выживание в этом не очень обустроенном мире невозможно победить, если не перемещаться с места на место, преодолевая всевозможные препятствия. Поэтому понятие «мосты» сопровождает человечество на протяжении всей его истории.
     И во все времена мосты в известной мере считались (и считаются) культовыми сооружениями. Так, например, инки считали мосты настолько священными, что любой, кто наносил им вред, приговаривался к смерти.
     Мосты, на мой взгляд, являются наиболее сложными инженерными сооружениями как по характеру работы (под подвижными нагрузками), так и по способам возведения. Если здания «растут» вверх, опираясь на предыдущие этажи, если тоннели как бы ползут, прорывая себе путь в земле, то мосты должны «перепрыгнуть» через препятствие, что, конечно, очень непросто. Мост, по выражению одной романтической женщины, это «дорога в воздухе». Правда ведь, красивый образ.
     И эти «дороги в воздухе», следуя своему функциональному назначению аккумулировать потоки транспорта и пешеходов и будучи у всех на виду, просто обязаны быть красивыми, быть архитектурными памятниками, нести в себе дух своего времени.


8

     По роду своей научной специализации - исследование технического состояния транспортных сооружений - я имел возможность познакомиться со многими сотнями больших и малых мостов, путепроводов, эстакад, виадуков. И, извините за смелую метафору, эти творения рук человеческих сами представляются живыми существами, разве только не умеющими говорить на нашем человеческом языке.
     Действительно, ведь они очень похожи на нас, людей, их создающих. Каждый мост имеет свой особенный характер, так ведь и мы далеко не одинаковые. Век их практически такой же, как и наш. И они, и мы устаём с годами. И болезни их сродни нашим: у нас простуды - у них протечки, у нас сутулость, искривление позвоночника - у них провисы, у нас разные хронические недуги - у них коррозия, и так далее.
     И ещё: мосты большие трудяги. Помните песню Александра Городницкого «Атланты». Там есть такие слова:
Стоят они, навеки Упёрши лбы в беду, Не боги - человеки, Привыкшие к труду.
     Ведь правда, это и про мосты.
     Но главное свойство мостов, их основное предназначение - соединять. Не могу не привести слова замечательного югославского писателя, лауреата Нобелевской премии по литературе Иво Андрича (1892-1975) из его эссе «Мосты», написанного в 1933 году [6].
     «Из всего, что воздвигает и строит человек, повинуясь жизненному инстинкту, на мой взгляд, нет ничего лучше и ценнее мостов. Они важнее, чем дома, священнее, чем храмы - ибо они общие. Они принадлежат всем и каждому, одинаково относятся ко всем, полезные, воздвигнутые всегда осмысленно, там, где в них возникает наибольшая нужда, они более долговечны, чем прочие сооружения, и не служат ничему тайному и злому...»
     И как бы вторит этим словам ещё одна прекрасная мысль:
     «People are lonely because they build walls instead of bridges» («Люди одиноки, потому что они строят стены, а не мосты»).
     Сегодня многие пытаются сформулировать национальную идею. Между тем, есть одна, главная, общая идея всей нашей цивилизации -БЫТЬ ВМЕСТЕ. И мосты наиболее ярко выражают её смысл.
     Сведения по истории мостостроения в технической и научно-популярной литературе изложены достаточно полно и интересно. Укажем для примера источники [32, 37, 93]. Особо следует выделить аналитический обзор, выполненный видным советским учёным-мостовиком Николаем Михайловичем Митропольским (1890-1956) [63].
     В настоящей книге предпринимается попытка проследить эволюцию искусства строительства мостов от древних времён до наших дней.

9

Возможно, при этом некоторые оценки и определения будут отличаться от традиционно принятых в философии и архитектуре. Но я постараюсь донести до читателя тот смысл, который я в них вкладываю.
     Следует оговориться, что в предлагаемом историческом обзоре практически не затрагивается, безусловно, богатая, но недостаточно хорошо известная история мостостроения в Азии. Речь будет идти, главным образом, о европейских и американских мостах.
     Всю историю строительства мостов и науки мостостроения я бы разделил на несколько этапов, каждому из которых посвящена отдельная глава.
     Первый этап, с древнейших времён и примерно до XIII века, назовём условно эмпирическим. В этот период строительство мостов развивалось исключительно на базе накапливаемого опыта.
     Второй этап, продолжаем увлекательное занятие придумывания названий, будем считать инженерным. Он охватывает период с XIII века (Возрождение) до второй половины XVIII века и характеризуется оживлением экономической деятельности после определённого застоя, в период, следующий за падением Римской империи. Развивается промышленность и, как следствие, товарообмен, что, естественно, стимулирует создание разветвлённой транспортной сети. Как бы в ответ на это формируются фундаментальные для строительства науки - строительная механика и сопротивление материалов.
     Третий временной отрезок, назовём его временем чугуна (конец XVIII - первая треть XIX века), совпадает с освоением доменного процесса, что обусловило строительство мостов из чугуна. Это позволило увеличить пролёты мостов, но потребовало новых теоретических и экспериментальных исследований в области строительных наук.
     Четвёртый этап, охватывающий XIX век, с полным правом можно назвать железным веком. Использование в качестве строительного материала железа стало возможным в результате освоения новых железоделательных технологий. С приходом в строительство железа были обоснованы, рассчитаны и реализованы новые конструктивные схемы мостов, в том числе и больших пролётов. Появляется новый вид транспорта - железнодорожный, который очень быстро становится доминирующим. Мостостроение оказывается как никогда востребованным. Мостовая профессия уже требует специального образования, а инженеры-мостовики пользуются особым уважением. Может быть, оттуда, из XIX века, пришло гордое и даже несколько надменное выражение «голубая кровь -мостовики».
     Пятый этап (на стыке XIX и XX веков) связан с открытием железобетона . Открытие этого материала произвело революцию в строительстве, в том числе и в мостостроении. Железобетон серьёзно потеснил

10

металл в мостах с относительно небольшими пролётами, но потребовал новых методов расчёта и нового подхода к испытаниям материалов.
     Примерно в этот же период мостостроение окончательно превращается в самостоятельную отрасль строительства со своими нормами, методиками расчёта и проектирования, технологиями строительства (шестой этап).
     В прошлом столетии начался новый седьмой этап в развитии нашей цивилизации - научно-техническая революция.
     Этот этап (примерно до 90-х годов) характеризуется ускоренным развитием промышленности в Европе, включая Россию (СССР), США, Японию, и столь же быстрым развитием как железнодорожного, так и автомобильного транспорта в этих странах.
     Одним отнюдь не гуманным стимулом индустриализации стали две мировые войны, страшным способом обнажившие всё несовершенство эпохи, но одновременно потребовавшие мобилизации интеллектуального и технического потенциала для создания мощной индустриальной базы, военной промышленности, нового смертоносного вооружения, в том числе авиации, танков, ракет и так далее (перечислять не хочется).
     В мостостроении этот период связан с новыми подходами к нормированию нагрузок, в том числе автомобильных, внедрением методики расчёта по предельным состояниям, дальнейшим развитием экспериментальных исследований.
     В восьмой и девятой главах анализируется развитие на этом этапе отечественной мостостроительной науки, новых конструктивно-технологических решений.
     Десятая глава содержит краткий обзор достижений в этот период зарубежного мостостроения.
     Следующий этап, начало которого пришлось на конец прошлого века, смело можно назвать «Мосты в постиндустриальную эпоху». Он ознаменован победным шествием Великой компьютерной революции, которая объединила мир интернетом и позволила решать самые сложные технические проблемы с помощью мощной электронной измерительной и вычислительной техники.
     В мостостроении это нашло выражение в использовании в проектных расчётах методов конечных элементов (МКЭ), инструментальном мониторинге состояния мостовых конструкций при строительстве и эксплуатации. И наконец, уже в новом тысячелетии высокими темпами происходит внедрение информационных, так называемых BIM-технологий (Building Information Model) на всех стадиях жизненного цикла сооружений (глава одиннадцатая).
     И завершает книгу попытка некоего философского осмысления мостостроения и мостостроительной науки (глава двенадцатая).

11

     Следует оговориться, что временные границы между обозначенными выше этапами весьма условны и размыты. Поэтому прошу вас, дорогие читатели, простить меня за возможные вольности с хронологией.
     Попробуем проанализировать упомянутые этапы несколько подробнее.

12

    ГЛАВА 1. ЭМПИРИЧЕСКИМ ПЕРИОД



    1.1. Первые мосты



     Наши далёкие предки «подсмотрели» у природы созданные ею переходы через препятствия в виде стволов деревьев, сваленных ветром или подмытых водой и перекрывших ручей, переплетённых ветвей деревьев, растущих на разных склонах оврага, каменных набросков через горные речки и так далее.
     Наблюдая природу, учась у неё и подражая ей, люди получали начальные навыки в строительном деле, как, впрочем, и в любом другом труде.
     Так, естественно образовавшиеся своды в скалах (рисунок 1.1) подвигли на возведение арочных мостов, а также порталов храмов и других зданий. Появились также бревенчатые мосты, каменные мосты (пример простейшего каменного моста показан на рисунке 1.2), висячие мосты с использованием в качестве канатов лиан или других волокнистых трав (рисунок 1.3, рисунок 1.4).


Рисунок 1.1. Естественный арочныймост высотой 34 м через рекуАрдеш на юге Франции. Вероятно, некогда это был вход в обрушившуюся пещеру (из книги Кёте Райнера «Мосты» [93])

13

Рисунок 1.2. Древний мост через реку Барле в Сомерсете (Англия) (из книги Бернарда Графа «Мосты, которые изменили мир» [37])

     Развитие цивилизации, образование государств вызвало к жизни новые тенденции - хорошие и, к сожалению, не очень хорошие. С одной стороны, желание лучше познать себя и мир, установление торговых связей, а с другой - стремление расширять свои владения, отнимать, порабощать, которое породило такое варварское явление, как война.

Рисунок 1.3. Древний висячий мост из лиан через горную реку (из книги Кёте Райнера «Мосты» [93])

     Впрочем, кажется, что по сути своей войны как были, так и остаются самым что ни на есть варварским способом решения споров. Увы, понятия равенства и гуманизма всегда не успевают за прогрессом.
     Тем не менее, торговля и войны требовали перемещения тяжёлых грузов и многочисленных войск на значительные расстояния. При этом, естественно, возникала необходимость пересечения широких рек и проливов большими мостами.
     Одним из первых таких мостов был, по-видимому, наплавной мост через пролив Босфор, возведённый греческим строителем Мандроклом в 512 году до н. э. (дата приблизительная) для войска персидского царя Дария, идущего походом на родину строителя. Его длина составила

14