Как железнодорожные мосты несут нагрузку: четыре конструкции

Железной дороге нужно пересекать реки, а реки редко ждут удобного места. Одна и та же река может требовать короткого пролёта в одном месте и очень длинного в другом, поэтому инженеры выбирают из небольшого набора конструкций. Все они делают одно и то же: принимают вес поезда и безопасно передают его земле на обоих берегах.

Две силы и ничего больше

Если разобрать любой мост до основания, останутся только два вида внутренних сил. Сжатие сдавливает материал; Растяжение растягивает его. Камень, кирпич и бетон прочны на сжатие и слабы на растяжение. Сталь прочна в обоих случаях, но длинный тонкий стальной элемент под сжатием может выгибаться, а тот же элемент на растяжение — нет. Каждый тип моста — это разный способ расставить эти две силы.

Балка: самый простой ответ

Балка, или прогон, — это жёсткий настил, опирающийся на опору на каждом конце. Под нагрузкой она слегка прогибается, что сжимает верх и растягивает низ. Поскольку материал вблизи середины высоты работает мало, настоящие балки кладут сталь вверху и внизу, в виде двутавра или полого короба. Балки дёшевы в постройке и просты в осмотре, и они доминируют на коротких переходах, обычно в несколько десятков метров. Для большего пролёта нужна более высокая и тяжёлая балка, и её собственный вес вскоре становится основной частью нагрузки. Неразрезные коробчатые балки, проходящие над несколькими опорами, расширяют диапазон до 100 метров и более.

Арка: пусть работает форма

Арка превращает нагрузку сверху вниз в сжатие вдоль своей кривой, и это сжатие давит в стороны у опор так же, как вниз. Грунт или устои должны сопротивляться этому боковому распору. Поэтому арки подходят для каменных ущелий, и поэтому римские и викторианские строители могли использовать камень, который слаб на растяжение, но превосходен на сжатие. Стальные арки перекрывают гораздо большие расстояния: мост Сиднейской гавани, по которому идут и поезда, и автомобильное движение, имеет главный арочный пролёт 503 метра.

Ферма: треугольники повсюду

Треугольник не может изменить форму, не изменив длину одной из сторон, поэтому каркас из треугольников жёсткий при очень малом расходе стали. В ферме каждый элемент либо растянут, либо сжат вдоль своей длины, и ничто не должно изгибаться. Поэтому фермы лёгкие для своей жёсткости, и поэтому эпоха железа и стали породила их так много — от коротких пролётов до великих консольных конструкций. Мост Форт в Шотландии, открытый в 1890 году, имеет два главных консольных пролёта по 521 метру. Это ферменная конструкция, и она до сих пор несёт тяжёлые поезда.

Реки определяют, что из этого нужно линии. Наша запись о почему железные дороги идут вдоль рек объясняет, почему линии вообще туда идут; переход — это цена. В Valley Rail: Train Tycoon вы прокладываете путь от города к городу и переходите реку по мосту одного из пяти видов, и это тот же выбор, перед которым стоят инженеры в реальной жизни, только с меньшим количеством стали.

Висячие мосты: самые длинные пролёты

Висячий мост подвешивает настил на вертикальных подвесках, прикреплённых к главным тросам, которые перекинуты через высокие башни и надёжно закреплены на каждом конце. Тросы несут нагрузку при чистом растяжении, а растяжение — самый эффективный способ использовать сталь, поэтому ни один другой тип не достигает таких пролётов. У моста Золотые Ворота главный пролёт 1,280 метров, у моста Акаси-Кайкё в Японии — 1,991 метр. Оба — автомобильные мосты.

Почему железные дороги редко используют висячие мосты

Та же гибкость, которая делает висячий мост экономичным, — проблема для поездов, по трём связанным причинам.

1. Нагрузка тяжёлая и сосредоточенная. Грузовой поезд весит гораздо больше на метр, чем автомобильный транспорт, и опирается на несколько осей. На длинном кабельном пролёте тяжёлый поезд составляет большую долю общей нагрузки, поэтому трос перестраивается вокруг него.
2. Путь нуждается в ровной линии. Настил прогибается под поездом и поднимается впереди него, поэтому колёса всё время взбираются на небольшой местный холм. Железные дороги измеряют уклоны долями процента, как в нашей записи о руководящем уклоне, поэтому даже небольшой провал стоит реальной тяговой силы и грубой езды.
3. Повторение изнашивает всё. Каждый поезд ещё раз прогибает настил, подвески и тросы. Жёсткие фермы и балки прогибаются гораздо меньше, а укрепляющая ферма под настилом — то, благодаря чему немногие висячие мосты для железной дороги вообще работают.

Поэтому длинный железнодорожный переход обычно представляет собой ферму, коробчатую балку или арку либо вантовую конструкцию, которая жёстче настоящего висячего моста. Чем тяжелее груз, тем сильнее этот довод. О самом движении см. как работают грузовые цепочки.