Длинная, в виде сплошного куска материала балка (деревянный брус, стальной стержень, труба) в функциональном отношении ничем не отличается от фермы, которая может быть деревянным перекрытием, морской конструкцией из брусьев и канатов или современной решетчатой конструкцией из металла - мостом или опорой линии электропередач. Как мы увидим в дальнейшем, и в живой природе также имеются конструктивные элементы и типа ферм, и типа балок. Тот факт, что мосты, перекрытия крыш и спина лошади или таксы обычно более или менее горизонтальны, а корабельные мачты, опоры линий электропередач, телеграфные столбы и шеи страусов обычно более или менее вертикальны, существенного значения на самом деле не имеет. Основное назначение всех этих конструкций одно и то же - выдерживать нагрузку, направленную под прямым углом к направлению самой балки; продольных нагрузок на опоры балки при этом не возникает.
Можно было бы подумать, что мачты корабля и все похожие на них конструкции являются исключением, так как сильно давят вниз на корпус. Но ванты и штаги с такой же силой тянут корпус корабля вверх, так что, за исключением веса самой мачты, на весь корабль не действует никакой суммарной силы и его погружение в воду не увеличивается и не уменьшается[85].
Аналогичные рассуждения применимы и к многим конструкциям живой природы. Шея лошади в этом смысле очень похожа на мачту, позвонки в ней сжаты и давят вниз, но они удерживаются шейными сухожилиями, которые действуют на тело с силой, равной по величине и противоположной по направлению.
Все балки, и "живые", и искусственные, в сущности делают одну и ту же работу. Среди балок чаще всего встречаются консоли и шарнирно опертые балки. На самом деле существует и более подробная классификация, но мы оставим ее для экзаменаторов и пока не будем рассматривать.
Консоль - это балка, один конец которой закреплен в какой-то жесткой основе, например в стенке или в земле (рис. 100). Инженеры называют условия на этом конце просто "заделкой". Свободный вылет консоли подвергается нагружению.
Рис. 100. Консоль с распределенной нагрузкой.
Рис. 101. Шарнирно опертая балка.
Опоры электропередач и телеграфные столбы, корабельные мачты и лопатки турбин, рога, зубы, шеи животных, деревья, башни и одуванчики - все это консоли, так же как крылья птиц, самолетов и бабочек, хвосты мышей и павлинов.
Шарнирно опертая балка (рис. 101) - это балка, которая обоими концами свободно покоится на опорах[86]. Конструктивно два этих случая тесно связаны между собой. Из рис. 102 вы можете заключить, что шарнирно опертая балка эквивалентна двум соединенным "заделанными" концами и перевернутым консолям[87].
Рис. 102. Шарнирную балку можно рассматривать как две соединенные вместе и перевернутые вверх ногами консоли.
Фермы мостов
Дорога пересекает долины в сотни футов глубиной по мостам в виде грубо сколоченных эстакад, которые скрипят и стонут под весом поезда. Едва ли можно найти что-либо более небезопасное, чем эти сооружения, и после того, как удавалось миновать их целым и невредимым, у меня всегда вырывался вздох облегчения. Ужасно смотреть из окна вагона в головокружительную глубину и сознавать, что, если эта хрупкая постройка начнет рушиться, у вас не будет ни малейших шансов спастись и от вас ничего не останется. Даже в восточных штатах все еще много этих примитивных мостов, и, говорят, из-за них произошло несколько катастроф. Кроме того, они легко загораются от падающих из паровозной топки раскаленных углей.
Американские картинки
С. Маннинг
Английские железные дороги тянулись ровно и прямо через холмистый английский ландшафт благодаря щедрому использованию насыпей, выемок и прекрасных каменных и чугунных виадуков. Вся эта инженерная роскошь определялась наличием средств и рабочих рук, которыми в изобилии располагала викторианская Англия. Совершенно другие условия были в Америке[88]: расстояния были гигантскими, капиталы скудными, зарплата даже неквалифицированных рабочих весьма велика, множество дилетантов, квалифицированные мастера европейского типа были чрезвычайно редки.
Железо было дорого, но дешевое дерево имелось в неограниченных количествах. Кроме того, американские путейцы, подобно своим коллегам - судостроителям, готовы были в такой мере рисковать жизнью и собственностью людей, что у британских инженеров от одной мысли об этом волосы под котелками встали бы дыбом. И это при том, что британских инженеров тех времен отнюдь нельзя назвать особенно осторожными, сегодня мы скорее назвали бы их опрометчивыми. Американцы XIX в. привыкли жить в состоянии постоянной опасности, но за это они должны благодарить скорее своих инженеров, чем бандитов или индейцев.
Железные дороги прокладывались на запад весьма быстро и с минимальным использованием дорогостоящих земляных работ - выемок и насыпей. Часто долины пересекали виадуки в виде длиннейших деревянных эстакад, которые так напугали преподобного доктора Мэннинга. Многие из них сохранились и до наших дней, и они всегда будут ассоциироваться с американскими железными дорогами (рис. 103).
Рис. 103. Деревянная железнодорожная эстакада.
После того как все было построено, американские железные дороги сделались чрезвычайно прибыльными предприятиями - говорят, что на Центральной тихоокеанской дороге дивиденды достигали 60%. Это позволило вскоре заменить большинство ненадежных эстакадных мостов сплошными земляными насыпями. Грунт из специально сконструированных вагонов ссыпался с эстакады, пока вся деревянная конструкция не скрывалась под землей, чтобы спокойно там сгнить.
Широкие и бурные реки нельзя было пересечь с помощью деревянных эстакад, поэтому возникла необходимость в больших мостах с длинными пролетами.
Стационарные мосты европейского типа не подходили здесь ввиду отсутствия денег и квалифицированной рабочей силы. В связи с этим возникла насущная потребность в длинных (и дешевых) деревянных фермах, которые были бы по силам обычным плотникам. Поскольку их постройка была потенциально доходным делом, а американцы - народ чрезвычайно находчивый, создается впечатление, будто в XIX в. чуть ли не каждый американец приложил руку к изобретению мостовых ферм. Вы можете обнаружить в учебниках немалое количество разновидностей мостовых ферм, конструкции которых лишь незначительно отличаются друг от друга, но зато каждая из ферм носит имя ее изобретателя. Нет нужды детально рассматривать их все, так как принципы работы этих конструкций весьма сходны, но несколько типов заслуживают внимания.
Одной из первых появилась ферма Больмана (рис. 104), она получила в Америке широкое распространение благодаря скорее политическим, чем техническим талантам ее создателя. Больману каким-то образом удалось убедить американское правительство в том, что его конструкция фермы "единственно надежная" и одно время ее там внедряли даже принудительно. Последнее, возможно, не столь курьезно, как могло бы показаться непосвященному: профессиональные инженеры уже давно исходят из убеждения, что техническое невежество американских конгрессменов не имеет границ[89].
На рис. 104 показана упрощенная ферма Больмана с тремя секциями. На самом деле это было весьма сложное сооружение с гораздо большим числом секций. Кроме того, работающие на растяжение части конструкции были без какой-либо нужды непомерно удлинены.
Рис. 104. Ферма Больмана.
Ферма Финка (рис. 105), используемая в тех же целях, состояла из более коротких деталей и на практике оказалась гораздо лучше. Если в нижней части фермы Финка проложить сплошную балку, она станет фермой Пратта или Хова (рис. 106). Точно такую же конструкцию обычно используют и в традиционном биплане. Ферма Пратта-Хова одинаково хорошо работает при воздействии нагрузки и сверху, снизу, то есть, можно сказать, она одинаково хорошо ведет себя и с точки зрения выгибания, и с точки зрения провисания. Далее, если использовать детали, которые могут работать как на сжатие, так и на растяжение, то можно упростить конструкцию такой фермы, получив в результате ферму Уоррена (рис. 107). Именно эта ферма особенно часто используется в конструкциях, сделанных из обычного стального проката.
Рис. 105. Ферма Финка.
Рис. 106. Ферма Пратта - Хова.
Рис. 107. Ферма Уоррена.
Рис. 108. Консольный мост с центральной секцией в виде шарнирно опертой балки.
До сих пор мы говорили о мостах как о шарнирно опертых балках, каковыми большинство из них, конечно, и является. Однако в ряде случаев в конструкциях мостов работают и консоли. Во времена деревянных конструкций они были не очень популярны, но теперь стальные и железобетонные мосты такого типа получили широкое распространение. Особенно часто железобетонные консольные мосты используются над автострадами. Обычно они имеют центральную секцию, выполненную в виде балки, по концам шарнирно опертой на две консоли (рис. 108). Такая конструкция менее чувствительна к взаимному смещению элементов. Есть мосты, в которых выступающие с двух сторон консоли встречаются посередине.
Во времена приверженности к очень длинным железнодорожным мостам было модным строить их в виде огромных стальных консолей. Наиболее известный мост такого типа -это железнодорожный мост через Форт[90], который был закончен в 1890 г. Это был первый большой мост, построенный из мартеновской стали, вес его составлял 51 тыс. т.
Автомобильные мосты требуют меньшей жесткости, чем железнодорожные, поэтому большинство современных мостов - подвесные. Автомобильный мост через Форт, который имеет такую же длину, как и расположенный рядом железнодорожный, построен в 1965 г. На его сооружение пошло только 22 тыс. т. стали.