Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Деформации свода не могут не вовлекать в работу и надсводовую конструкцию, так что в конечном счете получается единая сложная несущая система. Однако чаще всего вся надсводовая часть рассматривается как нагрузка на свод. Но есть системы, где подобное взаимодействие желательно, например, системы «лангер» (езда понизу) и «консидер» (езда поверху). Для этих систем характерны очень тонкие и высокие арки и относительно мощные главные балки мостового полотна. Последние здесь ведут себя уже не как нагрузка для арок, а как самостоятельный элемент. Арки же в этом случае являются вторичным, усиливающим элементом, который значительно увеличивает несущие возможности горизонтальной балки.

Ясная идеализированная схема, с которой мы начали, в действительности может быть намного сложнее. В ряде случаев это делается умышленно в стремлении к более целесообразной и эффективной конструкции. Однако чаще всего речь идет о нежелательных (и неизбежных) вторичных эффектах. Достаточно сказать о том, что безмоментное напряженное состояние предполагает сравнительно равномерно распределенную, но обязательно неподвижную, статическую нагрузку. Существуют аналитические и графические методы определения очертания арок (линии сжатия), обеспечивающего их работу под действием постоянной нагрузки без изгибающего момента. Но в случае мостов, кранов и т. п. подвижные нагрузки (транспорт) создают сложную и быстро меняющуюся картину внутренних сил, при которой каждому моменту времени соответствует своя форма равновесия. Но арка жесткая, она не может раздвинуться, принимая необходимую устойчивую безмоментную форму, а сохраняет прежнее положение. Так появляются изгибающие моменты, которые имеют временный характер. По величине они намного меньше моментов в балочных конструкциях. В целом арка работает преимущественно без моментов и остается исключительно рациональной и удобной конструктивной формой.

Существуют арки из стали и дерева, но поскольку речь идет о сжатии, то основной материал здесь, конечно, железобетон. Чаще всего исполнение бывает монолитным, что предполагает несущий каркас для опалубки. А это серьезный технологический минус. Но что делать? Без минусов не обойтись нигде.

Однако этот минус преодолим в условиях обычного надземного строительства. Поскольку в конструкциях покрытий зданий превалируют постоянные нагрузки, то в промышленном и гражданском строительстве почва для работы арок более благоприятна, чем в мостостроении. Другими словами, безмоментное состояние здесь будет преобладающим. Причем арки используются в «чистом виде», без надстройки, так как в конструкциях покрытия естественный уклон необходим — по нему стекают дождевые воды. Арочные конструкции из железобетона выполняют с пролетом более 100 м (для ангаров), а в сочетании с оболочкообразными покрытиями — с пролетом свыше 200 м.

Формы с параболическим верхним поясом, которые мы рассматривали раньше, по существу, тоже можно считать одной из многообразных форм арок. Если действует только нагрузка, для которой и выбрана такая линия верхнего пояса, решетка фермы не нагружена, а следовательно, ферма работает как арка. Другой формой, широко применяемой в промышленном строительстве, является так называемая балка Виранделя, которая состоит из прямолинейного нижнего пояса, параболического верхнего пояса и вертикальных стержней решетки. При постоянной равномерно распределенной нагрузке она тоже работает как арка. (Однако при неравномерной нагрузке возникают значительные изгибающие моменты, поскольку в решетке отсутствуют диагональные стержни. Такая система работает уже гораздо более сложным образом. Ее работа представляет собой нечто среднее между работой балки, фермы, арки и рамы.) В промышленном строительстве НРБ широко применяется типовая балка Виранделя из сборного железобетона для пролетов величиной 12, 18 и 24 м. В Берлине построено промышленное здание с пролетом 60 м, в покрытии которого тоже применены балки этого типа. В Бельгии балки Виранделя были использованы при строительстве ряда стальных мостов с пролетами до 80 м. Катастрофа, которая произошла с одним из них, служит убедительным доказательством огромной роли горизонтального сжатия в случае применения арочных конструкций.

Речь идет о том, что работа арок предполагает не только вертикальное давление на опоры (как у балок), но и значительное горизонтальное сжимающее усилие. Это хорошо видно на рис. 21. С одной стороны, это весьма неприятное явление, поскольку оно создает ряд проблем, связанных с восприятием подобной нагрузки. Необходим или специальный фундамент, который передавал бы это усилие на грунт, или — когда геологические условия, а чаще всего вид и назначение конструкции не позволяет это сделать, — дополнительный элемент (затяжка), который связывает две пяты арки и воспринимает горизонтальную силу. В случае ферм и балок Виранделя роль затяжки выполняет нижний пояс. Однако, с другой стороны, горизонтальное сжатие является просто бесценным обстоятельством, именно оно определяет безмоментное напряженное состояние и превращает криволинейную форму арки (сама по себе криволинейность еще ничего не значит) в рациональную и эффективную конструктивную форму. Так или иначе, но горизонтальное сжатие имеет место, а его восприятие обязательно. Однако вернемся к катастрофе бельгийского моста, в конструкции которого была применена балка Виранделя.