Арка как архитектурная конструкция

В былые времена, когда проектировщики и строители, будучи инженерами, в основном были известны как архитекторы, арка была формой, объединяющей инженерную науку и архитектуру. Вероятно, и термин «архитектура» происходит из самой концепции арки. Сегодня современная наука и инженерное искусство достигли очень высокого уровня развития, открывающего неограниченные возможности для совершенствования и применения арочных форм, обусловленные, в первую очередь, появлением новых материалов и средств вычислительной техники. В качестве доказательства этой точки зрения ниже представлено несколько примеров арочных конструкций, спроектированных автором и его коллегами.

Размещение затяжки в арках. На рис. 1 приведен пример сооружения арочной конструкции, в которой распор воспринимается устоями и тяжелыми промежуточными опорами.

Этот мост был спроектирован автором и построен в 1938 г. на железной дороге Ченг-Ю (Cheng-Yu) в Китае. В то время над конструктивным решением довлело отсутствие материалов, способных воспринимать растягивающие напряжения, вследствие чего пришлось отказаться от использования затяжки. Примеры, приведенные далее, показывают возможности достижения необходимой архитектурной выразительности в безраспорных арочных мостах путем вариаций в размещении затяжек: понизу, посередине или поверху.

На рис. 2 показаны две смежные арки трехпролетного неразрезного стального арочного моста, сопрягающиеся над промежуточной опорой.

Длина центрального пролета — 180 м. Ездовое полотно — затяжка посередине — кроме распора воспринимает основную часть изгибающих моментов от временной нагрузки, что позволило существенно уменьшить высоту поперечного сечения арки. В пролетном строении отсутствуют продольные связи, это делает форму арочной конструкции эстетически более выразительной. Так как по всей длине проезжей части нет деформационных швов, вся сейсмическая нагрузка передается через затяжку на более низкие опоры.

Рассматриваемая конструкция с сотнями степеней свободы является многократно статически неопределимой, однако благодаря современным мощным ЭВМ проблемы расчета таких сложных схем больше не существует. Все неразрезное пролетное строение, состоящее из трех центральных и двух коротких концевых пролетов, было сварено из трех отдельных укрупненных блоков длиной от 150 до 230 м, которые на баржах были доставлены на место установки.

На рис. 3 показана стальная арка с ездой поверху Высокого моста (High Bridge) через р. Миссисипи между Миннеаполисом и Сент-Полом, шт. Миннесота (США), в которой конструкция проезжей части является затяжкой.

По обе стороны от центрального арочного пролета длиной 150 м расположены два арочных полупролета, которые сопрягаются с подходными балочными пролетами из предварительно напряженного железобетона. Затяжка выполнена с применением пучков, натягиваемых на бетон. Эти пучки использовались также при установке элементов арок во время монтажа. Визуально пролетное строение похоже на двухконсольную конструкцию.

Арочный мост Би-Тан (Bi-Tan) на Тайване с аналогичной расчетной схемой был запроектирован позже Высокого моста. Конструкция этого моста интересна отсутствием стоек в составе надарочного строения, что позволило получить четкий и ясный рисунок арок (рис. 4).

Исключить стойки удалось за счет предварительного напряжения железобетонной балки, перекрывающей пролет между смежными арками. В настоящее время благодаря использованию компьютерных программ расчет такого моста не является проблемой. Следует также отметить, что пролетное строение состоит из двух раздельных параллельных конструкций под четыре полосы движения каждая. Пролетное строение возводилось на подмостях, за исключением центральной части главного пролета, которая сооружалась методом навесного бетонирования.

Приведенные выше примеры показывают, что расположением затяжки понизу арки, посередине или по верху арки могут быть решены разнообразные задачи.

Поворот плоскости арки из вертикального положения. Поворот арки из вертикального положения в горизонтальную плоскость превращает ее в дугу. Этот прием был осуществлен на мосту Рак-А-Чаки (Ruk-A-Chucky), который, будучи построенным над склонами гор, перекрывает узкое ущелье горизонтальной дугой длиной 400 м (рис. 5).

Благодаря такому решению удалось избежать необходимости сооружения криволинейных подходных тоннелей.

Размещение вантов, заанкеренных в прилегающих склонах гор в соответствии с особенностями горного рельефа, позволило направить осевое усилие точно вдоль дуги пролетного строения, избежав таким образом возникновения изгибающих моментов и поперечных усилий. Хотя местоположение вантов определялось в соответствии с расчетными критериями при минимальном внимании к эстетике, плавная гиперболически-параболическая поверхность, образуемая вантами, радует глаз.

Заключение. Совершенно ясно, что арка является уникальной конструктивной формой рационального восприятия усилий, удовлетворяющей при этом требованиям эстетической выразительности внешнего вида. С помощью современных материалов и технологий инженеры могут обеспечить дальнейшее совершенствование арочных конструкций, создавая новые проектные концепции пролетных строений, позволяющих перекрывать большие пространства. Как показывают приведенные выше примеры, только размещение затяжек арки на разных уровнях уже может обеспечить такие архитектурные формы, о которых раньше нельзя было и мечтать.

Инженеры и архитекторы значительно расширяют возможности своего творчества не только за счет использования именно арочной формы, но и путем сочетания этой формы с другими формами для создания конструкций, отвечающих функциональным и архитектурным требованиям, а также требованиям, предъявляемым окружающей средой. Создание таких сооружений стало возможным в настоящее время благодаря объединению двух проектных профессий. При этом инженеры все чаще играют ведущую роль в разработке новых концепций.