Часть 3. Разводной мост в Лиепае. 110 лет. Статья автора проекта моста Гаральда Халла
Читателям.
Долгожданная статья о разводном мосте, наконец, собрана. Долгожданная - потому что для её публикации пришлось выкупать оригинал подшивки Zeitschrift Des Vereines Deutscher Ingeniure - Журнал ассоциации немецких инженеров за 1908 год, в котором была опубликована статья Гаральда Халла/Harald Hall "Die Drehbruke über den großen Hafenkanal in Libau". Затем ждать перевода и редактировать его. Долгожданная - потому что теперь можно расставить все точки над «i» - cтатью написал сам автор проекта разводного моста Гаральд Халл, подробно рассказав о конструктивных особенностях своего детища. Статья насыщена техническими подробностями и терминами, но, надеюсь, будет интересна всем, кто интересуется живой историей, основанной на документах, а не на домыслах и легендах.
"Die Drehbruke über den großen Hafenkanal in Libau"/ Вращающийся мост для большого Портового канала в Либаве.
До последнего времени отсутствовало постоянное прямое сообщение Либавы с военным портом, названным в честь царя Александра III. Улицу, ведущую к этому месту, прерывает широкий портовый канал, и сообщение здесь поддерживалось за счет большого парового парома. Уже при постройке нового военного порта было решено, что в этом месте необходимо построить поворотный мост. Однако это строительство, как не очень срочное, было отложено на поздний срок. Когда строительство порта приближалось к концу и сообщение с городом стало оживленнее, еще больше проявились неудобства старой паромной переправы, а потому соответствующими органами было принято решение реализовать проект, предусматривающий строительство моста.
С этой целью в 1903 году нескольким крупным российским предприятиям предложили представить эскизные проекты и сметы соответствующих расходов. При этом было установлено, что свободная ширина коридора для судов не должна быть меньше 30 саженей (64 м), и что опоры, находящиеся посреди канала, должны опираться на кессонное основание (опускные колодцы со сжатым воздухом), при этом доходя до глубины 15,25 м ниже среднего уровня воды. В сведенном состоянии мост должен давать свободный габарит высотой в 8,32 м и шириной в 6,4 м для навигации малых судов. Также, на основе расчетов необходимо было представить сведения об испытываемых нагрузках, допустимом давлении на грунт, освещении и конструкции дорожного покрытия.
Были представлены точно исполнимые предписания касательно материалов и порядке работ на строительной площадке. А вот выбор мостовой системы отдавался на откуп предприятиям. Было высказано только требование, чтобы операции по разведению и сведению моста занимали как можно меньше времени и чтобы их можно было осуществлять как вручную, так и с помощью электричества.
После рассмотрения поступивших проектов ответственное строительное учреждение остановилось на проекте, предложенном С.-Петербургским Металлическим заводом. После этого, дополнив данный проект двумя расположенными по берегам дополнительными опорами и электродвигателями, указанная фирма в конце 1903 года получила заказ и в последующее время занималась строительством моста. Автору данной статьи Металлический завод поручил разработку всего - как изначального, так и позднее - уточненного проекта.
Требуемые размеры пропускного коридора уже с самого начала указывали на то, что необходим поворотный мост, перекрывающий коридор двумя консолями. Простые подсчеты показывали, что разводные подъемные мосты, даже несмотря на то, что они разводились и сводились быстрее всего, здесь не подойдут. Длина каждого поднимаемого пролета была бы 35-40 м, и, чтобы в поднятом состоянии они могли выдерживать ветровую нагрузку, они должны быть тяжелыми и дорогими. К тому же, было бы очень нежелательно, чтобы на территории военного порта находилось строение, которое в открытом состоянии было бы видно с очень большого расстояния. По этим соображениям вероятнее всего подошла бы реализация выдвижно-задвижного моста. Однако выяснилось, что при заданных размерах для открытия и закрытия такого моста потребовалось бы намного больше времени и сил, чем для поворотного моста, и обошлось бы это дороже.
Нужно было найти конструкцию, которая наряду с достаточной прочностью строения давала бы возможность открывать и закрывать мост, затрачивая, по возможности, минимальное количество времени и усилий. Диаметр обеих вращающихся опор, являющихся наиболее дорогой частью моста, по экономическим соображением следовало минимизировать, при этом придавая всему строению эстетически приемлемый вид.
Реализованный Металлическим заводом мост рассматривается в качестве попытки выполнить все эти требования. На первый взгляд строение не напоминает поворотный мост, поскольку подпорный элемент на поворотных опорах значительно отличается от технологий, которые были привычны до этого. Как показано на рисунке 6 и 8, на промежуточной опоре обе основные несущие балки опираются на изогнутую вертикальную подпорную конструкцию примерно в виде русской буквы «П» (с немного скошенными «ногами»), которая внизу жестко соединена с горизонтальным кольцом (рисунок 8).
В свою очередь П-образный ригель опирается на вершину установленной промежуточной опоры в форме тупого конуса, где находится круг горизонтального вращения для 38 слегка конических роликовых подшипников. В охватывающем опору нижнем горизонтальном сжатом кольце находятся более крупные подпорные ролики, которые катятся по вертикальной стене очень точно произведенного и вделанного в гранит кольца из литой стали. В результате такой технологии коэффициент трения удалось снизить настолько, что сила, необходимая для лебедочной системы на поворотных опорах, не превышает усилия, требуемого для преодоления инерционного сопротивления моста. Вследствие этого для поворотных опор достаточно диаметра в 9,175 м, а не 13 м, который требовался бы в случае применения технологии, которая была привычна до этого, что в свою очередь привело бы к удорожанию этих опор примерно на 100%.
На основании расчетов, не считая собственного веса, приняты следующие нагрузки.
На основные балки - 400 кг на 1 квадратный метр мостового покрытия.
Проезжая часть - 400 кг на 1 квадратный метр пешеходного тротуара.
В середине проезжей части - 12-тонный вагон трамвая с 11-тонным прицепным вагоном.
По обеим сторонам от трамвайных рельсов - ряд тяжело нагруженных подвод.
Береговые опоры
Обе береговые опоры (рисунок 12-14) полностью одинаковы. Они опираются на сваи, а их тела представляют собой кладку из известняка, видимая поверхность которой обшита гранитом. Негативные опорные реакции, зачастую вызываемые транспортной нагрузкой, принимают на себя два вделанных в кладку анкерных крепления, рассчитанные на пятикратную степень безопасности. Вес поднимаемой кладки рассчитан так, чтобы в самом неблагоприятном случае степень безопасности оставалась на двукратном уровне. U-образный профиль перед щелью опоры (рисунок 14) предусмотрен для прикрепления мостовых амортизационных устройств (буферов, отбойников). От размывания опоры защищены шпунтовыми стенками.
Поворотные опоры
Обе одинаковые между собой поворотные опоры с нижним диаметром 9,175 м встроены на камеры со сжатым воздухом (с помощью кессонов) до глубины 15,24 м ниже среднего уровня воды (см. рисунок 5-7). До глубины 1,22 м ниже среднего уровня воды выстроена стена из известняка с цементом, а выше известняковая стена обшита гранитными блоками малого размера. Верхняя коническая часть содержит массивное кольцо из литой стали для горизонтальных роликов (см. далее рисунок 28). На рисунке 15, 16, 17 показана одна из камер со сжатым воздухом. Диаметрально проходящая ферма держит потолочное перекрытие, а внизу она оснащена мощным острием. Это острие также имеется у цилиндрической стены. Чтобы при резком выходе сжатого воздуха камера не оседала глубоко, на 400 мм поверх острия по всему периметру была установлена кругообразная подпорная поверхность шириной 525 мм. При расчете камер максимально допустимое внешнее давление было установлено в значении 1400 кг/см2. Стальная оболочка поверх воздушной камеры, внутри которой произведены кладочные работы, имеет толщину 3 мм.
Параметры поверхности оснований поворотных опор рассчитаны так, чтобы давление на основание при полной нагрузке на мост не превышало 3,25 кг/см2. При полной нагрузке и ветровой нагрузке в 132 кг/м2 максимальное давление на краю оснований составляет 4,84 кг/см2 для поверхности под нагрузкой, расположенной перпендикулярно направлению канала. В случае пустого моста с односторонней ветровой нагрузкой, при открытии береговых соединений, создается опрокидывающий момент, который вместе с вертикальной нагрузкой вызывает максимальное давление на край оснований 3,15 кг/см2.
Пролетная конструкция
Поскольку обе половины моста одинаковы, достаточно рассмотреть только южную половину.
Обе главные фермы на поворотной опоре имеют высоту в 14,71 м, верхняя узловая точка таким образом находится примерно в 16,5 над уровнем воды. На концах высота ферм составляет 2,20 и 3,11 метров. Длина панели пролетной конструкции сравнительно большая - 6,801 м; Две последние панели на стороне по течению немного короче. На нижнем уровне на всех концах панелей под проезжей частью находятся поперечные балки, верхние полосы над промежуточными опорами соединены легкими решетчатыми поперечными фермами (фиг. 6). При этом, поперечные балки I, II, VII, IX, X и XI (фиг. 3) являются клепанные стальными листами . А расположенные ближе к промежуточной опоре, фактически являются фермами (III, IV, VI и VII, фиг. 3−4).
На узле V (высший узел) находится уже упомянутая жесткая подпорная конструкция. На участке от II до XI поперечной балки расположены 10 клепанных непрерывных продольных балок, несущих деревянный пол моста. Эти продольные балки соединены между собой легкими вертикальными решетчатыми конструкциями. На первой и второй панели 8 внутренних продольных балок сделаны как фермы и несут металлические емкости для размещения противовеса, приделанные к полосам с помощью заклепок. Противовес необходим, поскольку обе консоли имеют очень разную длину. Противовес состоит из бетонного слоя толщиной 150 мм с необходимыми отверстиями для отвода воды, расположенного непосредственно на металлической поверхности и в нужном количестве на известняковых плитах, сложенных на нем. Если при обновлении деревянного покрытия проезжей части моста или же по иным причинам равновесие обеих консолей значительно нарушается, то его легко можно восстановить, передвинув несколько плит в продольном направлении моста. Противовесное помещение легко доступно через люки в тротуарном покрытии.
Ветровые фермы расположены непосредственно над поперечными балками. Полосами ветровых ферм служат усиленные внешние продольные балки, служащие также тротуарной подпорой. Сжатые элементы ветровых ферм совпадают с поперечными балками, а диагонали формируют скрещивающиеся между собой брусья из тонкой стали, опирающиеся непосредственно на продольные балки.
Чтобы сделать поворотную систему независимой от ветрового давления, мост нужно было сбалансировать против ветра, иными словами, нужно было сделать так, чтобы сумма создаваемых ветровым давлением моментов вращения по всем поверхностям, подверженным ветру, по отношению к оси вращения составляла- 0. С этой целью перила береговых пролетов имеют 100-процентную заполненность (из жести на всей площадке), тогда как на среднем пролете перила кованные, легкие, с очень малой степенью заполненности (работа мастера кузнечного дела). При этом на первой и второй панели под продольными балками установлена ветроудерживающая стена из плотной жести.
Покрытие моста выполнено из дерева. На тротуарах оно состоит из сложенных в один слой досок толщиной 65 мм, а на проезжей части оно двойное - нижний слой из сложенных поперек досок имеет толщину в 85 мм и прикреплен к планкам, опирающимся на продольные балки, а верхние доски имеют толщину в 65 мм. Все деревянные части пропитаны смолой. Тротуары размещены на 120 мм выше проезжей части. Середина проезжей части на 60 мм выше, чем ее края. Проезжая часть имеет 3% продольный уклон с подъемом от береговой стороны до узла Х (см. фиг. 3). Сама же середина проезжей части моста горизонтальна.
Обе средние продольные балки продольной осью формируют угол, который немного отличается от прямого угла, поэтому, после того, как обе половины моста отсоединены друг от друга (это делается с южной стороны), они могут вращаться независимо друг от друга. Конструкции стального пролета здесь не подлежат детальному рассмотрению, поскольку они существенно не отличаются от общеизвестных технологических решений. Несущая система вблизи поворотных опор будет рассмотрена подробнее вместе с подпорными конструкциями.
В исследовании конструкции стального пролета при полной нагрузке допускались следующие максимальные значения давления.
Длинные сжатые брусья должны обеспечивать пятикратный уровень защиты от потери устойчивости при изгибе (в соответствии со второй формулой Эйлера).
Подшипник на поворотных опорах
Сверху по обеим сторонам вышеупомянутой изогнутой подпорной балки в форме русской буквы «П» имеются горизонтальные удлинения, которые должны участвовать в принятии крутящего момента и силы. Данные удлинения имеют коробчатое поперечное сечение; на их нижних поверхностях имеются эллиптические отверстия, через которые с целью осмотра можно попасть внутрь конструкции. Идущие вниз ноги также имеют коробчатое поперечное сечение, только для наклонных наружных поверхностей использована не листовая сталь, а скрещенные угловые профили, через которые можно добраться к главному подпорному элементу конструкции, чтобы смазать его. Снизу вертикальные стенки имеют толщину 10 мм, а выше, где находится подшипник конических роликов, толщина составляет 48 мм. Внутренняя наклонная стенка состоит из 3 плит, соединенных заклепками (толщина каждой - 10 мм).
Вторая часть несущей конструкции - горизонтальное кольцо. Его свободный внутренний диаметр - 6,96 метров, внешний диаметр - 10,28 м, высота - 352 мм. В случае полной нагрузки на данное кольцо в диаметральном направлении действует сила в 270 тонн. Чтобы удержать собственный вес и вызываемое им дополнительное давление по возможности в минимальных пределах, по всем сторонам от верхней части изогнутой подпорной балки вниз до кольца опускаются мощные сдавливаемые анкерные брусья из круглой стали, которые должны сопротивляться сжатию кольца. Поскольку кольцо является также рабочей платформой для обслуживания моста, вокруг кольца обустроены прочные перила и предусмотрена лестница для выхода на проезжую часть.
(Далее в тексте данное кольцо называется сжатым кольцом со сжатыми роликами. Примечание переводчика).
В верхнюю часть подпорной балки встроен подшипник конических роликов. На гранитной стене поворотной опоры находится изготовленная из литой стали ребристая плита основания с диаметром 2000 мм, на вершине которой находится очень точно обработанная сферическая подпорная поверхность. Радиус сферы - 355 мм, а диаметр подпорной поверхности в плане - 380 мм. На этом сферическом основании находится тело А из литой стали, которое выше переходит в шип диаметром 255 мм. На верхней кругообразной горизонтальной поверхности этого тела размещена кольцеобразная дорожка B в качестве подшипника для 38 конических роликов Е. Длина роликов - 155,4 мм, средний диаметр - 38,1 мм. Вместе ролики держит и ведет бронзовое ограждение С, а стальное кольцо D отвечает за то, чтобы в результате вертикальной давящей силы ролики не были выдавлены наружу. (фиг. 23 bis 25)
Над роликами находится верхняя подпорная часть F, которая охватывает шип А. Эта часть F неподвижно соединена с мостом. Таким образом, достигается эффект того, что горизонтальные силы передаются на плиту основания. Часть F помещена в четырехугольный ящик G, который 4-мя большими ввинченными шипами J соединен со стальной конструкцией моста. Части F и G соединены между собой двумя точно подогнанными осями Н из кованной стали диаметром 170 мм. Эта крайне важная деталь моста выполнена с максимальной внимательностью. Ящик G точно встроен в клепанную камеру, поверхности соприкосновения между F и G и шипами Н по всей их длине отшлифованы, чтобы шипы H работали только на срез.
На первый взгляд может показаться, что опирание тела А на сферическую пластину основания рискованно, если учитывать действующие на нее горизонтальные силы. Однако точные расчеты показали, что наибольшая вероятная горизонтальная сила (в случае с мостом без нагрузки) может отклонить от вертикальной оси поворотной опоры только на неполные 10 градусов.
Ролики Е и их дорожка В изготовлены из наилучшей закаленной инструментальной стали и с максимально вероятной точностью.
При строительстве данной подпоры использован опыт, полученный заводом-изготовителем при ранних всеобъемлющих испытаний, проведенных с подобными роликовыми подшипниками. К слову, уже тогда было выявлено, что коэффициент трения для поворотных опор такого типа при полной нагрузке составляет 0,003. Бо́льшая нагрузка на опору при нагруженном мосте - 596 тонн, а при открытии и закрытии моста - 273 тонны.
Видно, что в сжатое кольцо (фиг. 7) встроены 4 крупных ролика D и 4 ролика Е меньшего размера. Первые предусмотрены для принятия горизонтальных сил, при этом только по 2 штуки с каждой стороны поворотной опоры. Это сделано с целью получить бо́льшую ясность в статическом аспекте. Ролики Е предназначены для значительного принятия малых горизонтальных сил, создающихся при неравномерной нагрузке проезжей части. В большем масштабе представлен один из роликов D. По причине более свободного движения он находится на шариковых подшипниках и катится по вертикальной стене кольца из литой стали; в свою очередь стена жестко встроена с помощью анкерных элементов в конструкцию опорной кладки (фиг. 29).
Вышеупомянутые четыре маленьких ролика не встроены в сжатое кольцо, но у них есть отдельное место между кольцом и поворотной опорой.
Поворотный механизм моста
Мост поворачивается с помощью совсем простой двухрукояточной ручной лебедки, стоящей на горизонтальном сжатом кольце и находящейся в зацеплении с вертикальной стеной кольца из литой стали поворотной опоры. Лебедка оснащена ручным тормозом. Передвигая вставные оси, можно получить три разные передачи. В нормальных условиях на лебедке работают два человека, в случае необходимости могут работать также четверо (фиг. 37-39).
По желанию заказчика установлен 220-вольтный электродвигатель постоянного тока, подсоединенный к одной из передвижных осей. Несмотря на то, что расчеты показали, что полностью хватает двигателя на 1,1 л/с, однако был выбран двигатель на 3,8 л/с, чтобы не пришлось работать с очень мелкими и чувствительными деталями механизма. Двигатель и его панели управления встроены в помещение, защищенное от пыли. Ток к двигателю подается по кабелю, проложенному по дну канала. Для открытия и закрытия моста требуется время: если на обеих сторонах вручную задействованы два работника, в нормальных условиях это занимает 4 минуты. При этом для открытия соединений требуется 1 минута 15 сек. (оба береговых соединения и срединное соединение могут открываться одновременно), а для поворота моста необходимы 2 минуты 45 секунд. Если открывать мост с помощью электродвигателя, то весь этот процесс с одним работником на каждой из половин занимает 4 минуты и 5 секунд. В этом случае открытие среднего пролета требует 20 секунд, открытие берегового соединения - 1 мин. 15 сек., а поворот моста - 2 минуты 30 секунд.
Чтобы по невнимательности в месте соединения XI не произошел опасный удар, к поперечной балке 1 присоединен буфер в виде вертикального бруса, жестко подвешенный на нижнем конце, а вблизи нижнего конца, который может столкнуться с береговой опорой, он оснащен двумя пружинами с точно подобранной жесткостью.
Дополнительные опоры
Вместе с мостом были построены дополнительные опоры. В основании каждой из этих опор 4 вертикальные и 6 наклонно вбитых свай. Вершина опор находится примерно в 8 метрах над средним уровнем воды. Опоры с берегом соединяет пешеходный мостик легкой конструкции. Каждая из 10 основных свай состоит из двух перпендикулярно склепанных между собой U-образных профилей 250х95. Длина этих свай примерно 14 метров. Опора имеет четыре платформы, соединенных между собой лестницей легкой конструкции. Нижнюю платформу пришлось соединить с амортизирующей деревянной конструкцией, предназначенной для отведения судов, но изначально эта конструкция не была построена. Со второй платформы открывается выход на пешеходный мостик и далее на берег. Используя третью платформу можно снизу попасть к поворотному мосту и с помощью простого устройства прикрепить его к дополнительной опоре. С верхней платформы имеется выход на проезжую часть моста.
Тем не менее, основная задача этих дополнительных опор заключается в другом. Если возникнет необходимость осмотреть подшипник главных роликов на поворотной опоре, большие ролики горизонтального сжатого кольца, при повороте их эксцентрических осей, необходимо отводить с вертикальной поверхности, по которой они катятся. При этом становится возможным немного поднять и опустить консоль пролета. Во время повторного поднятия и опускания между боковыми подпорными поверхностями большой стальной нажимной плиты поворотной опоры (см. рисунок 23 и 26) и подпорной поверхностью П-образной балки можно вставить стальные колодки подходящего размера и освободить колеса сжатого кольца. После этого становится возможным отделить и вынуть тела F и А (см. рисунок 23).
Освещение и ограждение
Мост освещают 24 керосиновые лампы (типа Lux) каждая мощностью примерно на 700 свечей. Фонари подвешены к кованным стальным канделябрам и для очистки могут опускаться вниз небольшой лебедкой. Емкости для керосина и углекислоты, находящиеся снаружи перил, подсоединены тонкими медными трубками. На обеих концах моста находятся оснащенные сигнальными лампами железные ограждения, которые закрываются автоматически.
Ход выполнения работ
Работы по строительству моста начаты весной 1904 года после завершения чертежных работ. Обе поворотные опоры, береговые опоры и земляные работы были завершены уже осенью того же года. Установку пролетной конструкции можно было начать осенью 1905 года. Все строение, как оно представлено на плане на рисунке 2, монтировалось с использованием жестких подмостей, и в техническом смысле монтаж пролетной конструкции не отличался от уже привычных технологических решений. Посредине канала для навигационных нужд была оставлена свободная от подмостей зона шириной 55 м.
Редко когда работы велись в настолько трудных условиях, как при строительстве этого моста. В январе 1905 года среди рабочих начались беспорядки, набиравшие силу с каждым месяцем и осенью перешедшие в революционное движение. Забастовка на Петербургском заводе, изготавливавшем мостовые строительные конструкции, отняла 102 дня. Кроме того, и в спокойные короткие промежутки между забастовками реальные трудовые силы работников были сильно снижены. А место строительства моста в Лиепае оказалось в еще более худшем положении. Общество хранит в памяти тот факт, что как раз в балтийских провинциях революция обрела особо зловредный характер. Здесь у работников не было никакой дисциплины, указания мастера не исполнялись, ежедневная производительность упала до смешного уровня, а против ведущего мастера монтажных работ были устроены два покушения на убийство. В начале 1906 года из-за беспорядков работы были совсем прерваны на полтора месяца. В таких условиях не приходится удивляться тому, что мост был сдан с опозданием почти в 11 месяцев. В июле 1906 года, несмотря на все задержки, мост был наконец-то готов и мог быть передан на соответствующую проверку.
8 июля основные фермы подверглись нагрузке в 440 кг/м2, равномерно распределенной по всему мосту (транспортная нагрузка + 10%). С этой целью на проезжей части были установлены 2 рельсовых пути, на которые в нужном количестве въехали полные товарные вагоны (см. рисунок 45). Провес моста посередине (пункт XI рисунка 3) был 90 мм, что немного меньше, чем было рассчитано. Промеряемый остаточный провес не был констатирован, что позволяет сделать вывод об очень хорошо выполненных клепальных работах.
11 августа мост (главным образом проезжая часть) подвергся динамическим испытаниям. С этой целью мост пересекали тяжелые подводы (в вышеописанном количестве и размерах), разная полевая артиллерия и, наконец, марширующие солдаты. После этого, когда было установлено, что все движущиеся устройства работают безупречно, 19 августа 1906 года мост был освящен и передан в общую эксплуатацию. На текущий момент мост каждый день открывается и закрывается 10-15 раз, и все его составные части служат исправно.
Общий вес металла, использованного для строительства моста - 657,4 т.
Общие расходы всего строительства, включая пролетную конструкцию со всеми механизмами, подмости с проходами и ригелями, покрытие проезжей части, освещение, опоры, ограждения и земельные работы, составили 400 900 рублей. Электрические кабели в эти расходы не включены.
Часть 1