Построить мост в Сан-Франциско было необходимо, чтобы решить сложную транспортную проблему. Паромная переправа через пролив Золотые Ворота уже не могла перевезти всех жителей Сан-Франциско, желавших отдохнуть на природе и полюбоваться живописными ландшафтами Северной Калифорнии. Людям приходилось часами, а иногда даже сутками стоять в очереди на берегу.

Как обычно, первым делом встал вопрос: где строить? В итоге выбор остановили на месте в самой узкой части пролива. Но несмотря на это, размер центрального пролета будущего моста должен был стать больше всех известных на тот момент в мире. За решение непростой задачи — спроектировать уникальное сооружение — взялся инженер Джозеф Страусс. Сначала он предложил не слишком удачную конструкцию, в которой сочетались консольные башни и подвесные пролеты.

Впрочем, Страусс вместе с инженерами Львом Моисеевым и Чарльзом Альтоном Эллисом быстро исправили допущенные ошибки. Они доработали проект и предложили строить полностью подвесной мост.

Мост Золотые Ворота в Сан-Франциско, штат Калифорния, США, 1930 г.

Главные составляющие подвесного моста, помимо дорожного полотна, — это опорные башни, тросы и анкерные конструкции. Дорожное полотно моста подвешено на тросах. Если бы тросы крепились на вершинах опорных башен, то их собственный вес, а также вес полотна и проезжающего по нему транспорта заставляли бы башни крениться навстречу друг другу. Чтобы этого не случилось, тросы пропускают через вершины башен и прикрепляют к анкерам (крепежам), забетонированным в скальную породу на берегах. Таким образом, натяжение тросов, тянущих вниз к анкерным конструкциям с двух сторон от башен, создает мощное вертикальное давление на башни и придавливает их к земле.

Принцип работы подвесного моста

После того как власти и проектировщики определились с местоположением моста, начался поиск подходящих участков для возведения двух опорных башен. Они должны были располагаться, по возможности, максимально близко друг к другу, чтобы центральный пролет не пришлось делать слишком длинным. Со стороны округа Марин дно пролива резко уходит вниз, на большую глубину. Здесь башню можно было возвести только рядом с берегом, на мелководье. Фундамент другой башни, со стороны Сан-Франциско, предстояло построить на дне залива, углубив его, как и в первой башне, в толщу скальной породы на 5 метров. Рабочие могли находиться под водой на максимальной глубине в 30 метров. Поэтому пилон пришлось размещать там, где расстояние до дна составляло 25 метров. В итоге, с учетом всех этих обстоятельств, инженеры вычислили протяженность центрального пролета. И она составила 1280 метров!

Чтобы избежать лишних дорогостоящих подводных работ, крайнюю опору — пилон со стороны Сан-Франциско — разместили на берегу как можно ближе к башне. Инженеры оставили такое же расстояние между пилоном и башней с другой стороны пролива, чтобы мост был симметричным. Анкерные конструкции, к которым должны были крепиться тросы, располагались за пилонами в скале.

После того как проектировщики определились с расположением всех опор, им нужно было рассчитать высоту башен. Высоту полотна будущего моста над морем — в центре главного пролета (67 метров) и около башен (64 метра) — устанавливали представители Военно-морского флота США. Они потребовали, чтобы мост не препятствовал прохождению военных кораблей. Средняя высота конструкции дорожного полотна должна была составлять 9 метров. Основной трос в нижней точке прогиба должен был проходить над полотном на высоте 3 метров. Оптимальная глубина прогиба троса при равномерном распределении нагрузки на пролет — 140 метров. Взяв за основу все эти параметры, рассчитать приблизительную высоту опорных башен Золотых Ворот было несложно: она составляла 219 метров. После проведенных расчетов определили и ширину дорожного полотна — 27 метров. Более узкое полотно в сооружении такого размера выглядело бы ненадежно.

После того как проект моста был окончательно утвержден, строители начали работу над анкерными конструкциями. Каждая из них состояла из трех частей: нижней базовой плиты, намертво «влитой» в скальную породу, фиксирующей плиты, которая отливалась поверх базовой и удерживала натянутые тросы, а также верхней плиты, которая, в свою очередь, отливалась уже поверх фиксирующей. (Огромный вес анкерной конструкции противодействует горизонтальной тянущей силе троса, действующей на башни.) Концы тросов, на которых держится полотно моста, крепились к гигантским металлическим тягам. Тяги были вмонтированы в крепежные балки фиксирующего блока. После того как тросы прикреплялись к тягам, они вместе с крепежными балками заливались бетоном. Так строили анкерные конструкции.

Еще более сложным был процесс возведения башен. Две стальные башни моста Золотые Ворота установлены на массивные бетонные опоры. Башня со стороны Сан- Франциско расположена в 335 метрах от берега. Поэтому сначала от берега к месту строительства в море отсьш али временную дамбу. По ней подвозили материалы, оборудование и рабочих. В конце дамбы было построено гигантское эллиптическое кольцо из бетона — так называемый кранец, защищающий фундамент будущей опоры от воздействия воды. Основание кранца уходило на глубину 6 метров в твердую породу на дне залива, а верхний край возвышался над водой на 4,5 метра. Эта конструкция не только выполняла функцию временной дамбы во время строительных работ, но в дальнейшем защищала готовую опору от воздействия морской воды.

Так как большая часть бетона заливалась под две «ноги» каждой из башен, центральную часть опоры оставили полой. Это пространство, как и пространство между кранцем и опорой, было заполнено водой для увеличения веса конструкции. Стальной каркас из уголков, забетонированный в опоре на глубину 15 метров, придавал ей дополнительную прочность. Концы каркаса, выпущенные из бетона, впоследствии были вмонтированы в «ноги» башни, что придало ей еще большую устойчивость.

Опора башни со стороны округа Марин возводилась на мелководье, около берега, поэтому построить ее было намного проще. Со стороны залива вокруг места постройки возвели массивную стену из деревянных ящиков, заполненных камнями. Потом конструкцию соединили с берегом насыпью из камней. Затем по периметру дамбы были забиты металлические шпунты Ларсена и откачана вода. После этого в центре выбрали грунт до скального основания, на котором и возвели опору.

Две металлические башни моста совершенно одинаковы. У каждой из них две «ноги», соединенные поперечными балками. Эти балки увеличивают жесткость конструкции, которой приходится постоянно противостоять ветрам. «Ноги» башен смонтированы из соединенных вместе стальных труб. Каждая такая труба, или «ячейка», имеет высоту 14 метров и в сечении представляет собой квадрат со стороной около 1 метра. Трубы склепаны между собой уголками и пластинами. Чтобы увеличить площадь опирания «ног», а также чтобы бетон в их основании не крошился, ячейки крепились на толстые стальные плиты, приклепанные к опорам. Части металлических «ног» из соединенных вместе труб-ячеек поднимались наверх при помощи мостового крана, который по мере возведения конструкции двигался вверх при помощи домкратов.

Как и ожидалось, опорная башня со стороны округа Марин оказалась далеко не таким сложным объектом, как ее пара с противоположной стороны моста, и на ее строительство ушло гораздо меньше времени.

После возведения башен через пролив от одной анкерной конструкции до другой перебросили временные деревянные пешеходные мосты. Это были настилы из сосновых досок, выложенные поверх стальных тросов. Рабочие пользовались мостами, когда протягивали основные тросы. Приблизительно на высоте одного метра над пешеходными мостами были натянуты два каната, изгиб которых в точности повторял изгиб основных тросов.

Установка двух тросов моста Золотые Ворота была сложной и очень трудоемкой операцией. Каждый трос моста состоит из 61 пучка, скрученного из проволочных нитей.

Проволочная нить, намотанная на огромные катушки, сначала пропускалась через систему противовесов, чтобы обеспечить равномерное натяжение, а затем проходила через большое передаточное колесо.

Конец нити наматывался на специальное устройство (коуш) и фиксировался. Передаточное колесо крепилось к натяжному канату. По сигналу последний приходил в движение и поднимал передаточное колесо с нитью к вершине башни.

Наверху каждой из «ног» башни находились специальные устройства, которые называют седлами. Седло — это идеально подогнанная к металлическим «ногам» башни конструкция с желобом, куда впоследствии ляжет трос.

Из-за своего огромного веса каждое седло было разделено на части и поднималось наверх в три этапа.

Сначала на каждое передаточное колесо надевалось по четыре нити (позднее их количество увеличили до шести, чтобы ускорить строительство). На рисунке слева показана операция с двумя нитями.

Два отдельных передаточных колеса, каждое из которых разматывает свою нить, двигались навстречу друг другу. В середине центрального пролета они встречались, и рабочие перекидывали петли тросов с одного колеса на другое. Колеса возвращались обратно — и нить оказывалась на противоположной стороне моста. Когда колеса достигали цели, петли снимали и надевали каждую на свой коуш.

Затем на освободившееся пустое колесо набрасывали новую петлю, и все повторялось снова. Пучки, составлявшие основной трос, состояли из нити, сложенной 400 раз (а ее общая длина достигала 800 километров!). Когда одна катушка полностью разматывалась, к концу одной нити при помощи соединительной муфты прикреплялась новая.

Перед началом работы с тросами на анкерных конструкциях установили последние элементы — тяги с отверстиями на концах. С одной стороны они были забетонированы в фиксирующую плиту. Когда пучки нитей были готовы, коуши (временно зафиксированные перед тягами таким образом, чтобы на них можно было перебрасывать очередные петли) закрепили на своих местах между тягами.

Как только на свое место встал последний, шестьдесят первый, коуш, тяги забетонировали, а сверху над фиксирующей плитой была отлита верхняя, «придавливающая» плита. Четыре анкерные конструкции были готовы! Оставалось только обнести каждую из них высоким ограждением, а сверху перекрыть бетонной крышей.

После этого начались работы по установке дорожного полотна. Сначала вокруг каждого троса недалеко от вершины башни была установлена стягивающая муфта. По мере того как она медленно двигалась вниз по тросу, несколько поршней, вмонтированных в нее, сдавливали нити, прижимая их друг к другу. Когда муфта закончила движение, отдельные нити в пучках превратились в единый трос круглого сечения диаметром более 90 сантиметров.

На готовый трос через каждые 15 метров были установлены металлические хомуты, к которым крепились подвесы — стальные тросы около 5 сантиметров в диаметре, поддерживающие дорожное полотно. Чтобы обеспечить нужную высоту и прогиб полотна, каждый подвес был строго определенной длины.

Когда подвесы были укреплены на основных тросах, на их концы надели стальные цилиндры-замки. Конец каждого подвеса вставляли в расширяющееся книзу отверстие в замке и расплетали на отдельные нити. Получалось что-то наподобие проволочной щетки. Затем цилиндр заполняли расплавленным цинком, который накрепко соединял трос с корпусом замка.

Каждая группа из четырех замков опускалась внутрь 7,5-метровых стоек, к которым крепилось дорожное полотно. Так стойка удерживалась на весу замками, не будучи привинченной или приваренной к ним. Каждая стойка соединялась со своей парой на другой стороне дорожного полотна при помощи горизонтальной балки. Горизонтальные балки, в свою очередь, скреплялись между собой продольными балками меньшего размера. Таким образом, замки являются единственным крепежом, соединяющим основные несущие тросы моста с дорожным покрытием.

Чтобы основные тросы не подвергались критической нагрузке, их изгиб должен оставаться неизменным. Для этого по двум сторонам дорожного полотна были установлены фермы жесткости высотой 7,5 метра, соединенные друг с другом решеткой ветровой горизонтальной фермы. Ее назначение — минимизировать прогиб полотна, возникающий под давлением ветра.

Строительство дорожного полотна началось от башен и шло одновременно с двух сторон, чтобы нагрузка на башни и тросы была равномерной. Через шесть месяцев после того, как рабочие начали монтировать металлические конструкции полотна, две половины моста соединились точно посередине центрального пролета.

Подвесная конструкция не была закончена, а тросы не могли достичь нужного изгиба до тех пор, пока строители полностью не смонтировали дорожное полотно, включая бетонный настил, перила и освещение. Только после того, как тросы оказались под полной нагрузкой, их обмотали проволокой, чтобы сохранить форму и защитить от внешних воздействий.

При создании любой масштабной конструкции инженеры должны не только предусмотреть возможность воздействия на нее сильных порывистых ветров, но и учесть деформацию, вызываемую сильной жарой или холодом. Поскольку мост Золотые Ворота изначально был задуман как автомобильный, а не железнодорожный, в нем были допустимы колебания полотна. Поэтому его создатели спроектировали конструкцию, которая не противостояла бы воздействию окружающей среды, а приспосабливалась к нему. Дорожное полотно, по сути, подвешено к опорным башням; естественно, что вся конструкция колеблется при сильных порывах ветра. Для того чтобы погасить слишком сильные и разрушительные движения, нижние углы двух ферм жесткости около башен опираются на амортизирующие колонны, стабилизирующие полотно. Их называют уравновешивающими рычагами.

Во время жары мост расширяется, прогиб полотна уменьшается, а его концы незначительно сдвигаются к башням. Чтобы это не влияло на дорожное движение, в покрытии моста с обеих сторон — возле башен — предусмотрены компенсационные швы. Они представляют собой разрезы, разделяющие полотно на части и придающие ему упругость. Для гидроизоляции швы заполняли специальным материалом.

Мост Золотые Ворота возвели менее чем за пять лет, и он был признан настоящим шедевром инженерной мысли.

Сегодня это по-прежнему самый известный мост в мире, хотя и утративший право считаться самым длинным подвесным мостом на планете. Этот титул сейчас принадлежит мосту Акаси-Кайкё в Японии (для сравнения он изображен рядом с Золотыми Воротами).

Подвесные мосты сегодня стали не просто более протяженными. При их проектировании и строительстве инженеры, учитывая новейшие строительные технологии, разрабатывают новые подходы и конструктивные решения. Большие мосты — это чрезвычайно дорогостоящие проекты, и перед их создателями всегда стоит задача строить дешевле, но без ущерба качеству.

На смену фермам жесткости приходят блочные элементы аэродинамических форм, которые сокращают продолжительность строительных работ и снижают степень воздействия ветра. Сегодня можно изготовить мощные тросы в заводских условиях и не тратить время на их монтаж на месте (если, конечно, есть возможность доставить на стройплощадку тросы длиной в два с половиной километра).

Одни инженеры проектируют опорные башни из бетона — тяжелые и очень прочные. Другие предпочитают возводить опоры из стали, но с гораздо меньшим ее расходом, чем при строительстве моста Золотые Ворота. Наконец, вместо того чтобы останавливать колебания полотна, вызываемые порывами ветра, с помощью мощных опорных башен строители устанавливают на них сложные приспособления, которые помогают эти колебания гасить.

Дэвид Маколи. Как это построено: от мостов до небоскребов. Иллюстрированная энциклопедия.