Учебное пособие 800576

В 1937 г. в Сан-Франциско был открыт мост «Золотые Ворота» над проливом Голден-Гейтс, соединяющим бухту Сан-Франциско с Северной Калифорнией (рис. 2.25). Его железобетонный пролет составляет 1280 м. Самый длинный в то время висячий мост в мире (2737 м) строили в сложнейших условиях – туманы, штормовые ветры, океанские течения. Его прочная и гибкая конструкция может отклоняться от вертикали на 9 м. Для бетонных опор моста на дне выдалбливались огромные котлованы, на них ушло по 27 000 м3 бетона. Башни удерживают два стальных кабеля, которые в свою очередь держат настил моста. Диаметр кабелей составляет 90 см, длина – 2 300 м. Каждый кабель сплетен из 27 572 стальных проводов диаметром 5 мм. Общая длина всех стальных нитей составляет 129 тыс. км – этого достаточно, чтобы три раза обогнуть земной экватор.

Рис. 2.25. Мост «Золотые Ворота», Сан-Франциско, США

Сегодня самым длинным подвесным мостом в мире является мост Ака- си-Кайкё (рис. 2.26), соединяющий японские острова Хонсю и Сикоку. Общая длина моста составляет 3911 м, высота его опор равна 283 м, а ширина пролета между ними – 1991 м. Высота автострады над поверхностью воды составляет 71 м.

Пролив Акаси подвержен землетрясениям, тайфунам, сильным морским течениям. Для возведения опор сначала были изготовлены две огромные круглые камеры. С помощью грузовых судов они были доставлены на место. Затем эти полые цилиндры опустили на дно моря и заполнили специальным бетоном, застывающим непосредственно в воде. На этом железобетонном фундаменте высотой 67 и диаметром 80 м вознеслись громадные стальные пилоны.

61

Рис. 2.26. Мост Акаси-Кайкё, Япония

Впериод строительства моста в 1995 г. в этом районе произошло мощное землетрясение, которое, к счастью, не оказало никаких серьезных повреждений конструкциям моста, а, наоборот, лишь показало его устойчивость.

Дорожное полотно моста удерживают два стальных троса, сплетенных из множества отдельных нитей. Благодаря использованию новейших технологий обработки стали их прочность заметно возросла. Натягивали тросы с помощью вертолета. При сильных, шквальных порывах ветра дорожное полотно может отклоняться в сторону на 27 м (!), не теряя при этом устойчивости.

Строительство моста было закончено в 1998 г., и он исправно служит вот уже более 10 лет.

Примером раннего применения чугуна в несущих конструкциях зданий является хлопчатобумажная фабрика в Манчестере (1801 г.). Здесь была сделана первая попытка создания единого внутреннего каркаса здания из чугунных стоек и ригелей. Это строительство часто рассматривается как определенная веха в истории освоения металлоконструкций. Чугунная колонна, заменившая в конце XVIII в. деревянные стойки, прочно господствовала затем на протяжении всего следующего столетия. Из промышленного строительства она скоро перешла в гражданское (Кристалл Палас, оранжереи, крытые рынки, библиотеки, жилые дома).

В1811 г. архитектор Белланже и инженер Брюне перекрыли чугунным куполом круглый двор парижского зернохранилища, заменив им сгоревший в 1802 г. деревянный и сохранив принцип конструирования деревянных куполов. Обнаженная внутри и крытая снаружи медью конструкция купола, по диаметру почти сравнимая с куполом собора св. Петра в Риме, была образована радиально расположенными фермами.

Вто же время архитектором А.Н. Воронихиным был сооружен один из

62

самых больших куполов с металлическим каркасом – купол Казанского собора в Санкт-Петербурге (1811 гг.), который представлен на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Казанский кафедральный собор, Санкт-Петербург, Россия

Идея сборно-разборности элементов чугунных конструкций позволила в 1853 г. бывшему часовщику, изобретателю металлических каркасов Джеймсу Богардусу предложить проект «чугунного Колизея» для Всемирной выставки в Нью-Йорке. Это должен был быть колоссальный амфитеатр диаметром 365 м и высотой наружной стены 18 м, в центре которого предусматривалась 90метровая металлическая башня с лифтом для подъема посетителей на обзорную галерею. Сооружение после выставки должно было демонтироваться, а чугунные стандартные элементы конструкций использоваться для новых построек.

Промышленное производство сравнительно дешевой стали относится ко второй половине XIX в. В 1855 г. Г. Бессемер запатентовал способ удаления избытка углерода и других включений потоком воздуха, продуваемого через расплавленный чугун. Год спустя Роберт Мюшет усовершенствовал этот процесс предложением добавлять в конце продувки марганец, что позволило улучшить качество стали. И, наконец, новый способ получения литой стали в регенеративных пламенных печах с добавлением в шихту большого количества стального лома был предложен Пьером Мартеном в 1864 г.

Началом применения мартеновской стали в строительстве считают сооружение в 1889 г. железнодорожного моста через реку Форт в Шотландии (рис. 2.28). На его строительство было израсходовано 55 000 т стали. Это самый большой в мире консольный мост, длина каждого из двух его центральных пролетов – 523 м.

63

Рис. 2.28. Мост Форт-Рэйл, Шотландия

Дальнейший прогресс в освоении металлических строительных конструкций связан с широким внедрением заклепочных соединений, которые постепенно вытеснили горновую сварку металла, а затем и электросварку, в свою очередь заменившую трудоемкую клепку. Появляются новые типы строительных конструкций, совершенствуются методы их расчета, позволяющие не только снижать расход металла, но и по-новому решать вопросы их архитектурного проектирования. Характерными чертами металлических сооружений XIX в. являются изящество, оригинальность и смелость решений, хотя новые материалы использовались главным образом для подражания старым стилям – классике и готике.

Бурное развитие машинного производства, прогресс техники, освоение железа и стали как новых строительных материалов – все это не могло не отразиться на развитии металлической архитектуры, быстро освоившей каркасные системы высотных домов и большие пролеты новых типов общественных зданий, появившихся в XIX в.: универсальных магазинов, крытых рынков, библиотек, национальных и всемирных выставок, вокзалов и т.п. Используя сталь можно было воплощать в жизнь самые смелые проекты, возводить самые сложные сооружения. Среди таких построек нельзя не отметить Хрустальный дворец Всемирной выставки в Лондоне (1851 г., автор Джозеф Пакстон), Галерею машин на Международной выставке в Париже (1867 г., инженеры С. Кранц и Г. Эйфель), здание Национальной библиотеки в Париже (1868 г., конструкторархитектор Анри Лабруст) и, наконец, Дворец машин (пролет 115 м) и трехсотметровую Эйфелеву башню (рис. 2.29).

Эйфелева башня по праву считается символом прогресса инженерного искусства XIX в. Она собрана из 18 тыс. деталей, каждая из которых по отдель-

64

ности вычерчена, рассчитана на прочность и изготовлена. Полное заводское производство элементов металлических конструкций позволило осуществить монтаж башни на Марсовом поле Парижа всего за 2 года и 2 месяца. Поражала и точность, с которой выполнялись соединения отдельных деталей конструкции. Всего для скрепления элементов было использовано 2,5 млн заклепок. На высоте 57, 115 и 276 м расположены смотровые площадки.

Рис. 2.29. Эйфелева башня, Париж, Франция

Гюстав Эйфель был автором оригинальной конструкции стального каркаса подаренной Францией и собранной в Нью-Йорке статуи Свободы (рис. 2.30) работы скульптора Фредерика Огюста Бартольди. Для этого каркаса, имеющего высоту 46 м, Эйфель разработал специальную систему жестких связей, способную воспринимать очень большие ветровые нагрузки (отклонение руки статуи

сфакелом по вертикали составляет около 12 м).

Вмассивной каменной кладке пьедестала были встроены две железные перемычки, которые соединяются с анкерными балками, уходящими наверх. С помощью этих анкерных балок статуя Свободы и крепится к основанию.

Сама статуя собрана из нескольких сотен огромных бронзовых пластин выкованных вручную в специальных формах. В короне статуи расположена

65

смотровая площадка, на которую ведут 171 ступени винтовой лестницы.

Рис. 2.30. Статуя Свободы, Нью-Йорк, США

Статую массой более 225 тонн собрали во Франции в 1884 г. Затем ее разобрали на части и переправили в США, где 28 октября 1886 г. состоялось ее торжественное открытие.

До 1899 года статуя Свободы была самым высоким сооружением НьюЙорка. Постепенно ее намного переросли небоскребы Манхэттена.

Успехи в технологии изготовления металлических конструкций и опыт предшественников позволили в 1883 г. осуществить строительство по проекту Уильяма ле Барона Дженни первого высотного конторского здания – предшественника американских небоскребов. Подлинным шедевром мировой строительной и архитектурной практики считается небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг (рис. 2.31), долгое время остававшийся самым высоким зданием в мире. Закладка небоскреба состоялась в октябре 1929 г., и в мае 1931 г., то есть спустя двадцать месяцев, оно было уже завершено. Таким образом, скорость его возведения в среднем составила один этаж в неделю. Высота небоскреба 381 м, что на 77 м выше Эйфелевой башни. Возведенная позже антенна увеличила высоту всего здания до 449 м. Несущий каркас небоскреба создают стальные брусья общей массой 60 000 т, а общий вес постройки достигает 365 000 т.

Также на рубеже 1920…1980-х гг. в США было построено несколько небоскребов. Это Крайслер Билдинг (рис. 2.32) высотой 317,7 м, возведенный в 1929 г., Центр Джона Хэнкока высотой 343 м (1969 г.), Сирс-Тауэр (рис. 2.33) высотой 443 м, построенный в 1973 г.

66

Рис. 2.31. Небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг, Нью-Йорк, США

Вплоть до конца ХХ в. считалось, что родиной самого высокого небоскреба в мире неизменно будут Соединенные Штаты Америки. Но в 1998 г. конец этой монополии положил огромный небоскреб Петронас Тауэр, построенный в столице Малайзии – Куала-Лампуре (рис. 2.34). Высота двух башен близнецов составляет 452 м. На уровне 42-го этажа (высота 170 м) башни соединяет воздушный мост-переход, являющийся одновременно и смотровой площадкой. На постройку небоскреба ушло 36 910 т стали. Небоскреб возводился на сравнительно мягком грунте, поэтому здание закрепили в земле с помощью двухсот свай длиной от 40 до 105 м.

До 2008 г. звание самого высотного здания в мире принадлежало 101этажному зданию Тайбэй 101 (рис. 2.35), по форме напоминающему стебель бамбука. Его высота от земли до вершины здания – 508 м [8, 9, 12]. Архитектура здания примечательна: с каждым новым этажом постройка постепенно расширяется, но ровно через восемь этажей неожиданно сужается.

Фасад башни Тайбей 101 выполнен полностью из стали и стекла. Внутри нее движутся самые быстрые лифты в мире. Они развивают скорость до 60 км/ч.

Для основания здания в мягкий грунт пришлось вбить более 200 свай на глубину 80 м (именно на этой глубине начинаются плотные скальные породы).

67

Каркас здания представлен шестнадцатью стальными колоннами, залитых бетоном. Дополнительно по четырем сторонам башни были возведены по две колонны диаметром несколько метров. Каждый восьмой этаж опоясан огромными стальными траверсами, которые связывают наружные колонны с каркасом здания. Поэтому среди всех других небоскребов башня Тайбэй 101 выделяется едва ли не самым массивным железобетонным каркасом.

Для предотвращения резкого раскачивания небоскреба внутри башни сооружена специальная демпфирующая система, представляющая собой гигантский маятник массой 660 т. Он подвешен на 92 этаже на шестнадцати стальных тросах и занимает четыре нижних этажа.

Сегодня самым высоким зданием в мире является небоскреб Бурдж Дубай (Объединенные Арабские Эмираты). Его высота – 688 м.

В штате Оклахома (США) сооружена самая высокая в мире мачта. Эта стальная антенная опора решетчатой конструкции с несколькими ярусами вантовых стяжек имеет высоту 550 м.

Самым высоким мостом в мире является виадук Мийо (рис. 2.36), построенный над долиной реки Тарн во Франции. Этот мост является кратчайшим путем между Парижем и Барселоной.

Рис. 2.36. Виадук Мийо, Франция

Виадук Мийо является вантовым мостом. Стальные тросы-ванты поддерживают дорожное полотно и нижнюю часть конструкции. Один их конец крепится к высоким мачтам (пилонам), а другой – к середине моста, к разделительной полосе. Всего возведено 7 пилонов. От каждого веером отходят 22 стальных троса толщиной с человека. Расстояние между опорами составляет 345 м. Общая длина виадука 2,5 км, расстояние от земли до дорожного полотна в самой высокой точке составляет 270 м.

69

Высота бетонных опор очень значительна – от 77 до 245 м. Их ширина достигает 27 м, а поперечное сечение имеет форму ромба. Проведенные испытания показали, что подобные пилоны более устойчивы, чем традиционные опоры прямоугольного сечения, поскольку при сильных порывах бокового ветра площадь поверхности, подвергающаяся нагрузке, будет значительно меньше.

Само дорожное полотно изготовлено из стали и весит 36 тыс. т. Оно собрано из 14 сегментов длиной около 175 м и шириной – 32 м (такая же, как и ширина моста).

Этот грандиозный проект потребовал новейших технологий: монтаж конструкций осуществлялся с помощью лазерной юстировки и систем спутниковой навигации, сварочные работы на высоте выполняли роботы.

В строительстве металлы используют для изготовления несущих конструкций, армирования железобетонных конструкций, кровли, подмостей, ограждений, форм приизготовлении железобетонных изделий и т.д.

Широко применяются прокатные стали, которые имеют различный профиль (блюмс, квадратный, круглый, полосовой, треугольный, овальный, полукруглый, ромбовидный, угловой неравнобокий и равнобокий, швеллер, двутавр, тавр, рельс и др.).

Сортамент проката постоянно расширяется и совершенствуется благодаря внедрению облегченных, тонкостенных, фасонных и других экономических профилей из алюминиевых сплавов, которые отличаются небольшой плотностью (2700…2900 кг/м3), высокой коррозионной стойкостью и прочностью.

Из сортамента прокатных сталей изготавливают фрагменты колонн, подкрановых и мостовых балок, ферм, прогонов, арок, цилиндрических и шатровых покрытий и других несущих конструкций.

Металлические конструкции из черных и цветных металлов широко применяют при производстве зданий и сооружений, особенно при больших пролетах, высоте, и нагрузках (промышленные здания, каркасы и большепролетные покрытия общественных зданий, мосты и эстакады, башни и мачты, витражи, подвесные потолки и др.).

Широкое распространение металлоконструкций в строительстве обусловливается их высокой прочностью, надежностью, индустриальностью, скоростью монтажа.

Для обычного и предварительно напряженного армирования железобе-

тонных конструкций применяют главным образом стальную арматуру в виде стержней, проволоки и канатов из углеродистых и низколегированных сталей. При проектировании железобетонных конструкций арматуру выбирают в зависимости от ее назначения, марки и вида бетона, свариваемости сталей, условий эксплуатации, характера нагружения и т.д.

Широко используются в строительстве горячекатаные бесшовные трубы с

наружным диаметром 25…95 мм и электросварные водогазопроводные трубы с

внутренним диаметром от 6 до 150 мм.

Промышленность выпускает также сталь листовую толстую горячекатаную

70