Арочные мосты: история и конструкция

Введение

Мост с арочными опорами – тип конструкции.

Арочный мост – это мост с опорами на каждом конце в форме изогнутой арки. Арочные мосты работают, передавая вес моста и нагрузки частично в горизонтальное усилие, которое сдерживается опорами с обеих сторон. Виадук (длинный мост) может быть построен из ряда арок, хотя сегодня обычно используются другие, более экономичные конструкции.

История

Возможно, самым старым из существующих мостов является микенский мост Аркадико в Греции, датируемый примерно 1300 годом до н.э. Местное население до сих пор использует этот каменный арочный мост. Хорошо сохранившийся эллинистический мост Элеутерна имеет треугольную арку с корбелем. Пешеходный мост Родоса IV века до н.э. опирается на раннюю арку вуссора. Хотя истинные арки были известны этрускам и древним грекам, римляне первыми в полной мере осознали потенциал арок для строительства мостов – как и в случае со сводом и куполом. Список римских мостов, составленный инженером Колином О’Коннором, включает 330 римских каменных мостов для движения, 34 римских деревянных моста и 54 римских акведучных моста, значительная часть которых до сих пор стоит и даже используется для проезда транспортных средств. Более полное исследование итальянского ученого Витторио Галлияццо выявило 931 римский мост, в основном каменный, в 26 странах (включая бывшую Югославию). Римские арочные мосты обычно были полукруглыми, хотя некоторые из них представляли собой сегментальные арки (например, мост Альконетар) – мосты с изогнутой аркой, меньшей полукруга. Преимуществом сегментального арочного моста было то, что он позволял большому количеству паводковых вод проходить под ним, предотвращая разрушение моста во время наводнений, а сам мост мог быть легче. Как правило, римские мосты имели клиновидные основные камни арки (вуссоры) одинакового размера и формы. Римляне строили как однопролетные, так и протяженные многопролетные акведуки, такие как Пон-дю-Гар и Сеговийский акведук. Уже в ранний период их мосты имели проемы в пилонах, например, в Понсе Фабрициусе в Риме (62 г. до н.э.), одном из старейших крупных мостов в мире, сохранившемся до наших дней. Римские инженеры первыми и до промышленной революции единственными строили мосты из бетона, который они называли Opus caementicium. Внешняя поверхность обычно покрывалась кирпичом или облицовочным камнем, как на мосту Алконетар. Римляне также ввели сегментальные арочные мосты в практику строительства мостов. Мост Лимиры на юго-западе Турции имеет 26 сегментальных арок со средним соотношением пролета к подъему 5,3:1, что придает мосту необычно плоский профиль, непревзойденный более тысячи лет. Мост Траяна через Дунай отличался открытыми сегментальными арками из дерева (опирающимися на бетонные пилоны). Он был самым длинным арочным мостом в течение тысячи лет как по общей, так и по длине отдельных пролетов, в то время как самым длинным сохранившимся римским мостом является длинный Пуэнте Романо в Мериде. Позднеримский мост Карамагура в Каппадокии, возможно, является самым ранним сохранившимся мостом с заостренной аркой. В средневековой Европе строители мостов улучшили римские конструкции, используя более узкие пилоны, более тонкие своды и более высокие соотношения пролета к подъему. Также были введены готические заостренные арки, уменьшающие поперечный упор, и увеличилась длина пролетов, как в случае с эксцентричным Puente del Diablo (1282). Особенно в XIV веке строительство мостов достигло новых высот. Длины пролетов, ранее не встречавшиеся в истории каменного арочного строительства, теперь достигались в таких местах, как Испания (Пуэнте-де-Сан-Мартин), Италия (Мост Кастельвеккьо) и Франция (Мост Дьявола и Гранд-Пон), с различными типами арок, такими как полукруглые, заостренные и сегментальные. Мост в Треццо-Сулл'Адда, разрушенный в XV веке, имел пролет длиной в 29 метров, что не было повторено до 1796 года. Такие сооружения, как знаменитый флорентийский сегментальный арочный мост Понте-Веккьо (1345), сочетают в себе надежную конструкцию (соотношение пролета к подъему более 5,3:1) с эстетической привлекательностью. Три изящные арки ренессансного Понте Санта-Тринита (1569) представляют собой старейший в мире эллиптический арочный мост. Такие низко расположенные конструкции требовали массивных устоев, которые на мосту Риальто в Венеции и Флейшбрюкке в Нюрнберге (соотношение пролета к подъему 6,4:1) были основаны на тысячах деревянных свай, частично вбитых под углом в грунт для более эффективного противодействия поперечному упору. В Китае самым старым из существующих арочных мостов является мост Чжаочжоу 605 года н.э., который сочетает в себе очень низкое соотношение пролета к подъему 5,2:1 с использованием арочных арок (подкрепленных железными кронштейнами). Мост Чжаочжоу, длиной 51 метр и пролетом 37 метров, является первым в мире полностью каменным открытым сегментальным арочным мостом, обеспечивающим больший проход для паводковых вод. Мосты с перфорированными арочными сводами можно найти по всему миру, например, в Китае (мост Чжаочжоу, VII век), Греции (мост Арты, XVII век) и Уэльсе (мост Кенарт, XVIII век). В более современное время каменные и кирпичные арки продолжали строить многие инженеры-строители, в том числе Томас Телфорд, Иззамбард Кингдом Брюнель и Джон Ренни. Ключевым новатором был Жан Родольф Перроне, который использовал гораздо более узкие пилоны, пересмотренные методы расчета и исключительно низкие соотношения пролета к подъему. В строительстве арочных мостов все чаще использовались различные материалы, такие как чугун, сталь и бетон.

Possibly the oldest existing arch bridge is the Mycenaean Arkadiko Bridge in Greece from about 1300 BC. The stone corbel arch bridge is still used by the local populace. The well preserved Hellenistic Eleutherna Bridge has a triangular corbel arch. The 4th century BC Rhodes Footbridge rests on an early voussoir arch. Although true arches were already known by the Etruscans and ancient Greeks, the Romans were – as with the vault and the dome – the first to fully realize the potential of arches for bridge construction. A list of Roman bridges compiled by the engineer Colin O'Connor features 330 Roman stone bridges for traffic, 34 Roman timber bridges and 54 Roman aqueduct bridges, a substantial part still standing and even used to carry vehicles. A more complete survey by the Italian scholar Vittorio Galliazzo found 931 Roman bridges, mostly of stone, in as many as 26 countries (including former Yugoslavia). Roman arch bridges were usually semicircular, although a number were segmental arch bridges (such as Alconétar Bridge), a bridge which has a curved arch that is less than a semicircle. The advantages of the segmental arch bridge were that it allowed great amounts of flood water to pass under it, which would prevent the bridge from being swept away during floods and the bridge itself could be more lightweight. Generally, Roman bridges featured wedge shaped primary arch stones (voussoirs) of the same in size and shape. The Romans built both single spans and lengthy multiple arch aqueducts, such as the Pont du Gard and Segovia Aqueduct. Their bridges featured from an early time onwards flood openings in the piers, e. g. in the Pons Fabricius in Rome (62 BC), one of the world's oldest major bridges still standing. Roman engineers were the first and until the industrial revolution the only ones to construct bridges with concrete, which they called Opus caementicium. The outside was usually covered with brick or ashlar, as in the Alcántara bridge. The Romans also introduced segmental arch bridges into bridge construction. The Limyra Bridge in southwestern Turkey features 26 segmental arches with an average span to rise ratio of 5.3:1, giving the bridge an unusually flat profile unsurpassed for more than a millennium. Trajan's bridge over the Danube featured open spandrel segmental arches made of wood (standing on concrete piers). This was to be the longest arch bridge for a thousand years both in terms of overall and individual span length, while the longest extant Roman bridge is the long Puente Romano at Mérida. The late Roman Karamagara Bridge in Cappadocia may represent the earliest surviving bridge featuring a pointed arch. In medieval Europe, bridge builders improved on the Roman structures by using narrower piers, thinner arch barrels and higher span to rise ratios on bridges. Gothic pointed arches were also introduced, reducing lateral thrust, and spans increased as with the eccentric Puente del Diablo (1282). The 14th century in particular saw bridge building reaching new heights. Span lengths of , previously unheard of in the history of masonry arch construction, were now reached in places as diverse as Spain (Puente de San Martín), Italy (Castelvecchio Bridge) and France (Devil's bridge and Pont Grand) and with arch types as different as semi circular, pointed and segmental arches. The bridge at Trezzo sull'Adda, destroyed in the 15th century, even featured a span length of , not matched until 1796. Constructions such as the acclaimed Florentine segmental arch bridge Ponte Vecchio (1345) combined sound engineering (span to rise ratio of over 5.3 to 1) with aesthetical appeal. The three elegant arches of the Renaissance Ponte Santa Trinita (1569) constitute the oldest elliptic arch bridge worldwide. Such low rising structures required massive abutments, which at the Venetian Rialto bridge and the Fleischbrücke in Nuremberg (span to rise ratio 6.4:1) were founded on thousands of wooden piles, partly rammed obliquely into the grounds to counteract more effectively the lateral thrust. In China, the oldest existing arch bridge is the Zhaozhou Bridge of 605 AD, which combined a very low span to rise ratio of 5.2:1, with the use of spandrel arches (buttressed with iron brackets). The Zhaozhou Bridge, with a length of 167 feet (51 m) and span of 123 feet (37 m), is the world's first wholly stone open spandrel segmental arch bridge, allowing a greater passage for flood waters. Bridges with perforated spandrels can be found worldwide, such as in China (Zhaozhou Bridge, 7th century). Greece (Bridge of Arta, 17th century) and Wales (Cenarth Bridge, 18th century). In more modern times, stone and brick arches continued to be built by many civil engineers, including Thomas Telford, Isambard Kingdom Brunel and John Rennie. A key pioneer was Jean Rodolphe Perronet, who used much narrower piers, revised calculation methods and exceptionally low span to rise ratios. Different materials, such as cast iron, steel and concrete have been increasingly used in the construction of arch bridges.

Преимущества простых материалов

Камень, кирпич и другие подобные материалы прочны на сжатие и в некоторой степени на сдвиг, но не способны выдерживать значительные растягивающие усилия. Поэтому арочные мосты из каменной кладки проектируются таким образом, чтобы находиться под постоянным сжатием, насколько это возможно. Каждая арка возводится над временным поддерживающим каркасом, известным как опалубка. В первых арочных мостах сжатия ключевой камень в середине моста воспринимал вес всей остальной конструкции. Чем больше нагрузки приходилось на мост, тем прочнее становилась его структура. Для увеличения постоянной нагрузки на мост и предотвращения возникновения растяжения в арке при движении по ней, над аркой арочных мостов из каменной кладки укладывают значительный слой засыпки (обычно уплотненного щебня). Кирпич и неармированный бетон также использовались для строительства мостов этого типа. При использовании каменной кладки (обработанного камня) углы граней обрезаются для минимизации сил сдвига. Если используется бутовая кладка (необработанные и неподготовленные камни), их скрепляют раствором и дают ему затвердеть перед удалением опалубки. Традиционные каменные арки обычно долговечны и в определенной степени устойчивы к осадке или подмыву. Однако по сравнению с современными конструкциями такие мосты очень тяжелы и требуют массивных фундаментов. Кроме того, их строительство обходится дорого, особенно в регионах с высокой стоимостью рабочей силы.

Последовательность строительства

Если арки возводятся в русле водотока (на опорах или берегах), воду отводят, чтобы сначала выкопать гравий и заменить его надежным основанием (из прочного материала). На этом основании возводят/поднимают фундаментные опоры до высоты предполагаемой базы арки, точки, известной как замковое ядро (пружина). Изготавливают временные подпорки (в британском английском: арочная рама), как правило, из дерева и досок. Поскольку каждая арка многопролетного моста создает распор на соседние арки, необходимо либо возводить все арки моста одновременно, либо использовать очень широкие опоры. Распор от крайних арок передается в землю посредством массивных (вертикальных) фундаментов в стенах ущелья или больших наклонных плоскостей, образующих, по сути, подъездные пандусы к мосту, которые также могут быть выполнены в виде арок. Арки (или одна арка) возводятся над временными подпорками. После возведения каждого основного арочного свода арки стабилизируют засыпкой из каменной кладки, которая может укладываться горизонтальными рядами (слоями). Эти ряды могут формировать две внешние стены, известные как устои (шпадрали), которые затем заполняются подходящим сыпучим материалом и бутовым камнем. Дорожное полотно мостят, а парапеты ограждают и защищают движение по мосту.

Мост с арочной аркой

Мост с корбельной аркой – это каменный или кирпичный мост, где каждый последующий, более высокий ряд (слой) немного сильнее нависает над предыдущим. Ступени кладки могут быть обрезаны для придания арке округлой формы. Корбельная арка не создает распора, или наружного давления в основании, и не считается настоящей аркой. Она более устойчива, чем настоящая арка, поскольку не имеет этого распора. Недостатком является то, что этот тип арки не подходит для больших пролетов.

Аквадукты и канальные виадуки

В некоторых местах необходимо перекрыть широкий пролет на значительной высоте, например, когда каналу или водопроводу требуется пересечь долину. Вместо строительства чрезвычайно больших арок или очень высоких опор (что сложно реализовать из камня), возводят серию арочных конструкций, одна над другой, причем основание делают шире. Римские инженеры-строители разработали эту конструкцию и возводили высокоточные сооружения, используя лишь простые материалы, инструменты и математические расчеты. Этот тип до сих пор применяется в канальных виадуках и на дорогах благодаря своей эстетичной форме, особенно при перекрытии водоемов, поскольку отражения арок создают визуальный эффект кругов или эллипсов.

Мост с арочной палубой

Этот тип моста представляет собой арку, над которой полностью расположена проезжая часть. Пространство между аркой и проезжей частью называется заплечиком. Если заплечик сплошной, что обычно встречается в каменных или каменных арочных мостах, мост называется арочным мостом с закрытым заплечиком. Если проезжая часть поддерживается рядом вертикальных колонн, поднимающихся из арки, мост называется арочным мостом с открытым заплечиком. Мост Александра Гамильтона является примером арочного моста с открытым заплечиком. Наконец, если арка поддерживает проезжую часть только в верхней части, мост называется соборной аркой.

Через арочный мост

Этот тип моста имеет арку, основание которой находится на уровне палубы или ниже, но вершина поднимается над ней, поэтому палуба проходит сквозь арку. Центральная часть палубы опирается на арку посредством подвесных тросов или распорок, как в арочном мосту с затяжками. Концы моста могут опираться снизу, как в арочном мосту с палубой. Любая часть, поддерживаемая аркой снизу, может иметь замкнутые или разомкнутые устои. Сиднейский мост Харбор и Байоннский мост являются сквозными арочными мостами, использующими арочную ферму.

Мост с привязанной аркой

Также известный как арочный мост с затяжкой, этот тип арочного моста включает в себя связь между двумя противоположными концами арки. Эта связь обычно является проезжей частью и способна выдерживать горизонтальные распорные силы, которые в противном случае воздействовали бы на опоры арочного моста. Проезжая часть подвешена к арке. Арка испытывает сжатие, в отличие от подвесного моста, где несущие канаты находятся в натяжении. Арочный мост с затяжкой также может быть арочным мостом сквозного типа.

Мост с навесной аркой

Арочный мост, в конструкции которого предусмотрены шарниры для обеспечения подвижности между элементами. Одношарнирный мост имеет шарнир в ключе арки, двухшарнирный мост – шарниры в обеих опорах, а трехшарнирный мост – шарниры во всех трех точках.

Использование современных материалов

Большинство современных арочных мостов строятся из железобетона. Этот тип моста подходит для случаев, когда возможно возведение временных поддерживающих конструкций для опалубки, арматуры и незатвердевшего бетона. После достаточного затвердевания бетона опалубка и временные конструкции демонтируются. Также возможно строительство железобетонной арки из сборных бетонных элементов, когда арка возводится из двух половин, которые затем опираются друг на друга. Многие современные мосты, выполненные из стали или железобетона, частично воспринимают нагрузку за счет растяжения внутри своей конструкции. Это снижает или устраняет горизонтальное давление на опоры и позволяет возводить их на менее прочных грунтах. С точки зрения конструкции и анализа, это не настоящие арки, а скорее балки арочной формы. Подробнее об этом типе мостов – в разделе «Ферменная арочная конструкция». Современной эволюцией арочного моста является арочный мост большой длины пролета. Это стало возможным благодаря использованию легких, но прочных на растяжение материалов, таких как сталь и предварительно напряженный бетон.