Проект деревянного моста И. Кулибина

Проект деревянного моста через Неву И. П. Кулибина — явление далеко не заурядное. По научно-экспериментальной обоснованности, новизне и смелости технического решения он не имел равных в практике мирового деревянного мостостроения конца XVIII в. На его идее, конструктивной схеме и влиянии, оказанном им на дальнейшее развитие строительных конструкций в мостостроении, следует остановиться несколько более подробно, чем на других проектах, решавших аналогичную задачу.

Предпосылки создания постоянного моста через Неву

Что же побудило механика Петербургской Академии Наук длительное время работать над решением столь грандиозной задачи, как составление проекта постоянного моста через широкую и глубоководную Неву?
Когда Кулибин приехал в Петербург и поступил на службу в Академию Наук, в городе существовал только один Исаакиевский плашкоутный мост, соединявший Васильевский и Адмиралтейский острова; в периоды ледохода и ледостава он на несколько недель разводился. Отсутствие постоянных мостов вынуждало горожан весной и осенью переходить Неву по льду или преодолевать её на шлюпках во время ледохода, что было весьма опасно. Свидетелем подобных эпизодов, заканчивавшихся порой трагически, был и Кулибин.

Осознав настоятельную потребность в постоянной связи между двумя большими островами Петербурга, он счел своим долгом серьезно заняться разрешением этой новой, весьма сложной и крайне важной градостроительной задачи. И вот, вскоре после приезда в Петербург в 1769 г., как об этом писал сам Кулибин, он приступил к разработке проекта постоянного моста через Неву. Реализации своего замысла он посвятил десятилетия творческого труда — труда, принесшего ему заслуженную славу, несмотря на то, что его проекты не были осуществлены.

Идея Кулибина заключалась в сооружении одноарочного деревянного моста пролетом около 300 м. Заметим, что строительство деревянных арочных мостов больших пролетов было известно русским мостостроителям с давних времен. Однако практика мирового мостостроения не знала примеров столь сложных технических задач. К своему проекту Кулибин пришел после изучения природных условий: значительной глубины Невы при быстром течении, бурных весенних ледоходов и осенних ледоставов, сопровождаемых частыми штормовыми ветрами северо-восточного и западного направлений. Все это подсказало ему целесообразность отказа от промежуточных речных опор в связи со сложностью их сооружения в глубоководном протоке, а также из-за нежелательности уменьшения живого сечения русла. Не менее серьезной причиной, обусловившей отказ от сооружения моста с промежуточными опорами, следует считать необходимость обеспечения благоприятных условий для судоходства и пропуска льда при его движении по реке.

Конструктивная схема одноарочного моста Кулибина

Кулибин не сразу пришел к оптимальному решению конструктивной схемы одноарочного деревянного моста. В процессе работы над его проектом он создал несколько вариантов, последовательно решая частные технические вопросы и улучшая конструкцию в целом.
Первый вариант проекта моста, разработанный Кулибиным в 1769—1771 гг., не сохранился; о его содержании можно судить по литературным источникам, авторы которых изучали архивные документы, относящиеся к деятельности Кулибина этого периода. Он предложил пролетное строение моста выполнить в виде четырехугольной пространственной системы, образуемой вертикальными и горизонтальными решетчатыми фермами. В качестве убедительного аргумента, наглядно иллюстрирующего его конструктивные достоинства, автор представил модель моста в 740 натуральной величины (её длина равнялась 7,8 м). Несмотря на примитивность её выполнения, при которой элементы ферм из брусков липового дерева связывались нитками вместо болтов или шурупов 152, при испытании модели в присутствии академиков она выдержала все же сосредоточенную нагрузку в середине пролета, равную пятнадцатикратной величине собственной массы.

Успех Кулибина, вызванный результатами испытания модели, был, однако, омрачен «сумлениями» в возможности по модели определить поведение будущего сооружения в эксплуатации, высказанными некоторыми учеными Академии Наук, на суд которых Кулибин вынес в 1771 г. свой первый вариант проекта моста через Неву.
Неудача не остановила изобретателя в его дальнейших углубленных поисках для осуществления первоначально задуманной идеи. И действительно, к концу 1772 г. он закончил второй вариант деревянного одноарочного моста, конструктивно резко отличавшегося от первого.

Второй вариант конструкции одноарочного моста Кулибина

По второму варианту несущими элементами моста являлись шесть деревянных решетчатых (из брусьев) ферм арочного очертания (вместо двух ферм в первом варианте), высотой около 12,8 м. Из них парные фермы ограничивали проезжую часть, а остальные две, ломаного в плане контура, расположенные с двух сторон основных парных ферм, были предусмотрены для придания устойчивости всей системе при воздействии горизонтальных усилий — ветровых нагрузок, для той же цели Кулибин предусмотрел на концах пролетного строения дополнительные решетчатые подкосы, доведя тем самым ширину моста у опор до 41,5 м.

В конструкцию моста был введен также ряд других элементов для придания жесткости основным несущим фермам: пояса ферм в виде бревен, уложенных по контуру образующих арки и по геометрической её оси; горизонтальные поперечные решетки и вертикальные крестообразные связи для обеспечения поперечной устойчивости решетчатых ферм.
Не останавливаясь на решении Кулибиным других частей моста, поскольку о них будет упомянуто при рассмотрении окончательного, третьего, варианта, заметим, что предложенная им конструктивная схема была обоснована результатами экспериментально-теоретических исследований, в ходе которых проводились различные опыты с целью определения высоты арки и её очертания, величины и направления распора, влияния на него собственной массы и т. д. Эти исследования велись на специально созданных автором «испытательных машинах». Но наибольший интерес в теоретических исследованиях Кулибина представляют те, на основании которых можно определить несущую способность моста по результатам испытаний его модели.

Проект моста Кулибина по второму варианту характеризуется следующими техническими данными: высота ферм, составленных из брусьев сечением 22×22 см, достигает 12,8 м; сопряжение элементов решетчатых арок осуществлено на врубках, скрепленных металлическими болтами; ширина проезжей части моста — 8,5 м при продольном уклоне 1\10.
Завершенный в таком виде второй вариант проекта моста — чертежи и подробное описание его содержания — Кулибин 9 декабря 1772 г. передал вице-директору Академии Наук А. А. Ржевскому. Результаты рассмотрения второго варианта, видимо, также оказались неблагоприятными для автора, иначе нельзя объяснить причины, заставившие Кулибина разрабатывать новый, третий, вариант проекта моста. Его окончание относится к середине 1774 г.

Третий вариант моста Кулибина

Третий вариант проекта, по существу, уточнил конструкции отдельных элементов и теоретически обосновал принятую автором конструктивную схему моста. Он, по-видимому, ставил перед собой задачу, в соответствии с решением которой проектные материалы моста (по третьему варианту), выражаясь современным языком, состояли из чертежей, пояснительной записки и проекта организации работ. В пояснительной записке дано описание опытов для теоретического обоснования принятых технических решений.

Основными несущими конструкциями пролетного строения, так же как и во втором варианте, были спаренные деревянные арки с ромбической решеткой по обеим сторонам проезжей части, ширина которой принята равной 8,52 м. Для устойчивости всей системы моста под действием ветровых нагрузок автор ввел две фермы ломаного в плане очертания, расположив их с двух сторон проезжей части, и, так же как и во втором варианте, предусмотрел бревенчатые пояса по контуру образующих арок и поперечные связи для придания жесткости арочным фермам, а всей системе – неизменяемой формы.

В третьем варианте идея арочной фермы возникшая у Кулибина ещё в 1769—1772 гг. не претерпела изменений, однако она приобрела законченную конструктивную форму обоснованную результатами его экспериментально-теоретических исследований. Так, очертание её принято Кулибиным «по кривой давления от постоянной нагрузки», определенной экспериментальным путем при помощи простейшего и вместе с тем весьма остроумного приспособления. Такие же пути привели его к мысли, что поперечные сечения элементов проектируемого моста должны уменьшаться по мере удаления их от опор к середине пролета.

Точно так же очертание поясов основных арок Кулибин принял не по интуиции, а на основании построенного им эмпирическим путем веревочного многоугольника. И, наконец, для определения величины горизонтального распора и решения других теоретических вопросов, связанных с проектированием моста (стрела подъема моста и др.), он использовал простейшие, созданные им приборы. Иными словами, предложенная конструктивная схема моста была убедительно аргументирована результатами его многолетних экспериментально-теоретических исследований. В этом заключалась особая заслуга изобретателя, стремившегося обосновать теоретические вопросы, не получившие ещё научного оформления ко второй половине XVIII в., экспериментальным анализом.

Конструктивные особенности проекта моста Кулибина

Переходя к описанию других частей моста, следует обратить внимание на проезжую часть: представляя собой дощатый настил по балкам, связывавшим отдельные арки, она начиналась на уровне верхнего пояса арок у береговых устоев и по мере приближения к середине пролета постепенно переходила на уровень нижнего пояса. Этим объясняется сравнительно малый уклон проезжей части моста, несмотря на значительную стрелу подъема основных несущих арок.
Не меньший интерес представляет конструкция береговых устоев, решенных Кулибиным в виде параллелепипеда на свайном основании из наклонных и вертикальных деревянных свай. Конструкция фундамента принята в виде уширяющейся книзу ячеистой фермы, состоящей из каменных, взаимно перпендикулярных стенок. Такое решение обосновывалось необходимостью вентиляции опор для предотвращения гниения деревянных частей ферм. Представление о береговых опорах могут дать их габариты: высота — 13,8 м, длина (вдоль берегов) — 53,3 м, а вдоль оси моста — 25,6 м.

Береговые устои определяли въезды на мост: при продольном уклоне, принятом автором равным 1:12, длина въезда доходила до 200 м. На Адмиралтейском острове «вымостка» проектировалась на Сенатской площади по продольной оси моста. Что касается въезда на мост со стороны Васильевского острова, то существовавшая застройка не допускала сооружения въезда, аналогичного тому, какой проектировался на Адмиралтейском острове. Поэтому Кулибин предлагал въезды на мост организовать вдоль правого берега Невы, начиная их от здания Двенадцати коллегий (ныне главное здание Ленинградского государственного университета) с одной стороны и здания дворца Меншикова - с другой.

Реализация проекта: быть или не быть?

Вопросы практического осуществления моста также занимали Кулибина. В наше время над проектом сооружения моста работают инженеры многих специальностей, в числе которых инженеры, разрабатывающие специальную часть, именуемую «проектом организации работ». Кулибину же самому, безо всякой помощи, пришлось разработать проект моста во всех его частях, включая проведение научно-экспериментальных исследований и вопросы организации строительства. В последней области он проявил исключительную изобретательность. По его мысли система канатов или тросов, укрепленных на береговых башнях, должна была служить конструкцией, посредством которой можно было вести монтаж и сборку отдельных частей моста. Эта идея сама по себе являлась гениальным новаторством. Наряду с этим Кулибин предлагал применять в пределах пролетного строения леса, основанные на сваях, вмороженных в лед.

Для осуществления моста в натуре требовалось, по подсчетам автора, 12 908 деревянных элементов (различных поперечных сечений и размеров), 49 650 железных болтов и 5500 металлических граненых обойм.

Третий вариант проекта моста был разработан Кулибиным до мельчайших подробностей, но самым убедительным аргументом, подтвердившим техническую возможность воплощения идеи автора в действительность, явилось испытание модели моста, выполненной им в 1:10 натуральной величины. После ознакомления придворных с его проектом один из них — видный государственный деятель князь Г. А. Потемкин — способствовал отпуску автору из государственной казны 1000 рублей на сооружение модели моста. Для Кулибина государственная помощь оказалась чрезвычайно важной и своевременной, ибо только на модели он мог подтвердить свои теоретические обоснования, определить грузоподъемность моста, проверить правильность расчетов сечений его элементов и надежность всей конструктивной системы.

Модель моста Кулибина

Модель в масштабе 1:10 была сооружена в период с 1 мая 1775 г по 1 сентября 1776 г. Пролет её был равен 30 м, а масса — 5,4 т. По существу, модель представляла собой мост, способный перекрыть значительное пространство. Сооружалась она во дворе академического дома, где жил Кулибин (ныне угол набережной Лейтенанта Шмидта и 7-й линии Васильевского острова), и там же 27 декабря 1776 г. производилось её испытание в присутствии членов комиссии, назначенной Академическим собранием.

Испытание модели моста Кулибина

После того, как модель при испытании выдержала расчетную нагрузку, равную 3300 пудам, не претерпев при этом никаких видимых деформаций, автор её согласился увеличить груз на 570 пудов, т. е. довести нагрузку до 3870 пудов. Под такой нагрузкой она находилась 28 суток, в течение которых в модели также не было обнаружено никаких признаков деформаций. Те ученые и члены комиссии, которые не верили в положительный исход испытаний, были, по меньшей мере, удивлены их результатами. Испытание модели принесло заслуженную славу автору проекта моста. Его имя стало известно не только широкому кругу ученых, правительству Екатерины II, жителям города, но и далеко за пределами России.

После столь убедительного триумфа изобретателя комиссия Академии Наук единогласно признала правильность его расчетов и подтвердила техническую возможность осуществления моста через Неву по проекту Кулибина. Такое событие, естественно, не могло пройти незамеченным правительством Екатерины II, которое в знак признания столь выдающегося технического и научного достижения приняло решение о награждении его автора специально вычеканенной медалью на Андреевской ленте.

Несмотря на единодушное признание весьма авторитетной комиссией Академии Наук технической возможности постройки моста через Неву по проекту Кулибина, его идея все же не была осуществлена. Кроме ряда иных причин, не имевших отношения к технической стороне дела, существовали и обстоятельства, помешавшие реализации проекта. К ним нужно отнести указанные ниже.

Мост проектировался деревянным, а потому срок его службы ограничивался двадцатью-тридцатью годами, что не окупило бы затрат на постройку столь огромного сооружения, не говоря о том, что ремонт моста во время его эксплуатации чрезвычайно осложнялся бы отсутствием промежуточных опор.

Не менее серьезным обстоятельством, препятствовавшим осуществлению моста по проекту Кулибина, были соображения эстетического характера. Введение огромного деревянного сооружения высотой около 40 м (от зеркала воды) в среду равновысоких монументальных зданий на обоих берегах Невы, таких, как дворец Меншикова, Двенадцать коллегий, Кунсткамера, Адмиралтейство и др., привело бы к потере ими масштабности. Кроме того, въезды на мост в виде длинных и высоких пандусов испортили бы вид Сенатской площади и набережной Невы (ныне Университетской) на Васильевском острове на протяжении 400–500 м.

Таким образом, проект моста, которому Кулибин посвятил много творческих усилий не был осуществлен, но научно-экспериментальные исследования, проведенные им при проектировании этого грандиозного сооружения, оставили глубокий след в истории мирового мостостроения, в которой по оригинальности и техническому решению нет аналогичных примеров.

Прежде всего следует отметить, что Кулибин самостоятельно разработал впервые методику определения несущей способности моста по результатам испытаний модели. Правильность его выводов была подтверждена в дальнейшем работами крупнейшего ученого XVIII в. — петербургского академика Леонарда Эйлера.
К столь весомому научному вкладу Кулибина надо также причислить впервые примененные им арочные решетчатые фермы составлявшие основу несущих элементов моста, но не нашедшие в то время применения.

Позже их стали называть по имени инженеров, предлагавших их в качестве несущих элементов: фермами Бурра — в 1804 г. и Тауна — в 1820 г. Ценные научные выводы о взаимодействии сил в арке, сделанные Кулибиным в результате постановки опытов для решения задач, связанных с проектированием моста, лишь через полвека (1823 г.) были опубликованы в работах Б.-П. Э. Клапейрона и Г. Ламе по теории сводов.

Отзывы современников об изобретателе и его проекте

Небезынтересно привести, хотя с сокращениями, высказывания известного ученого того времени — члена Петербургской Академии Наук по кафедре механики (позже профессора в Базеле) Даниила Бернулли. В письме из Базеля от 7 июня 1777 г. своему ученику, адъюнкту Академии Н. И. Фуссу он писал: «. .то, что Вы сообщаете мне о Вашем механике г. Кулибине, по поводу деревянного моста через Неву шириной в 1057 англ. футов, дает мне высокое мнение об этом искусном строителе… Я ни мало не слушаюсь чистой теории в этих работах, потому что невозможно достаточно исчислить всех обстоятельств, которые непременно должны быть приняты в расчет: необходимо работать ощупью, над бесчисленным множеством предметов, не допускающих никаких точных определений. Главный строитель обязан чаще всего обращаться к своей врожденной сообразительности. В этом-то я признаю все преимущество, которым может владеть такой человек, как Кулибин. Я проникнут уважением к нему, но не в состоянии победить своего скептицизма в отношении моста, о котором идет речь. Пожалуйста, уведомите меня, какова высота моста в своей середине сравнительно с её оконечностями и каким образом этот великий артист разместил 3500 пуд. тяжести на своей модели? Если она в состоянии удержать ещё 500 пуд., которые предложил он наложить на нее, то это увеличение будет сильным доказательством самого счастливого успеха, какой только можно было обещать. ."

В том же письме Бернулли писал о том глубоком уважении, которое он испытывает к автору проекта и его занятиям, и просил Фусса, чтобы Кулибин высказал свое мнение по некоторым вопросам («силе и сопротивлению дерева»), изучению которых Бернулли посвятил очень много времени.

Несколько позже, 18 марта 1778 г., Бернулли писал Фуссу: «Эйлер произвел глубокие исследования о прочности балок, примененных различными способами, особенно вертикальных столбов… Не могли бы вы поручить г. Кулибину подтвердить теорию Эйлера подобными опытами, без чего его теория остается верной лишь гипотетически».

Профессор А. Ершов в статье «О значении механического искусства в России» отзывался о Кулибине, так: «он мог бы стать нашим Уаттом или Фултоном». А известный мостостроитель Д. И. Журавский о модели моста Кулибина сказал, что «на ней печать гения».
Нам кажется, что приведенные выдержки из писем Бернулли, а также мнения видных ученых и техников в достаточной мере характеризуют Кулибина как талантливого исследователя-конструктора и изобретателя.

Дальнейшая судьба модели моста Кулибина

Какова же судьба модели моста Кулибина? Она находилась во дворе академического дома под наблюдением автора около 16 лет. По указу Екатерины II от 22 мая 1793 г. модель была перевезена и переброшена через один из каналов сада Таврического дворца, где она простояла ещё свыше 17 лет. Итак, модель Кулибина просуществовала около 35 лет без ремонта.

Литература:

• Ленинград. Историко-географический

атлас. Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР. М., 1981


• М. С. Бунин. Мосты Ленинграда. Очерки истории и архитектуры мостов Петербурга-Петрограда-Ленинграда, 1986
• С. П. Луппов. История строительства Петербурга в первой четверти XVIII века. М.-Л., 1957
• П. Н. Петров. История Санкт-Петербурга. СПб.
• Г. К. Лукомский. Старый Петербург. Прогулки по старинным кварталам столицы.
• С. А. Цаплин. Висячие мосты.
• Б. В. Якубовский. Проекты мостов И. П. Кулибина.