Трудность сооружения мостовых устоев ввиду сильного течения реки при низком уровне мостостроительной техники того времени в России толкнула изобретателя на мысль перекрыть Неву одним пролетом арочного моста, который будет опираться концами на берега реки. Такие мосты существовали и раньше, но о пролете до 300 метров никто даже и думать не решался. Лучшие деревянные мосты того времени (Делавэрский арочный мост в Америке, Рейнский мост у Шиффгаузена — см. ниже письмо Бернулли) имели пролеты до 50–60 метров. Мост, построенный в 1778 году механиком Грубенманом у Веттингена через Лиммат (Швейцария) с пролетом в 119 метров, остается до наших дней непревзойденным уникумом в области деревянного мостостроения. Кулибин же задумал пролет почти втрое больший, чем у Грубенмана.
Величина такого пролета обусловливала и качественное изменение конструкции. Сперва Кулибин хотел выполнить арочное строение в виде замкнутой трубы, ограниченной решетчатыми фермами. Проект этого варианта утерян, несмотря на то, что к нему была уже изготовлена модель. За недостатком средств сделана она была крайне примитивно — из липовых брусков, связанных веревками. И все-таки модель выдержала нужный груз, в пятнадцать раз превышавший ее собственный вес. Академики осмотрели модель и признали ее «сумнительной». Кулибин и сам не удовлетворился этим вариантом и стал искать новый.
Наряду с поисками лучших конструкций он вел борьбу с косностью ученых, скептически настроенных по отношению к его работе.
В «Санкт-Петербургских ведомостях» (№ 36 за 1772 год) он прочитал однажды, что «Лондонская Академия назначила дать знатное награждение тому, кто сделает лучшую модель такого моста, который бы состоял из одной дуги или свода без свай и утвержден бы был концами своими только на берегах реки». Из этого видно, что и для технически передовой страны того времени подобная задача представлялась чрезвычайно сложной.
Кулибин еще ревностнее принимается за работу. Он заканчивает второй вариант моста, по его мнению, более усовершенствованный. Теперь пролетное строение состоит из шести самостоятельных решетчатых ферм. В описании этого проекта Кулибин дает полную спецификацию элементов сооружения. Это позволяет выяснить вес моста и в случае необходимости начать подготовительную работу по заготовке его элементов. Таким образом, ценность этого второго варианта состоит в том, что в нем Кулибин делает попытку экспериментально-теоретического обоснования правильности схемы и размеров частей моста.
Работу Кулибина увенчивает третий вариант. Изготовление первой модели и работа над вторым вариантом укрепили уверенность изобретателя, расширили опыт, обогатили его теоретически. Основное отличие третьего варианта от обоих первых заключалось в том, что в нем выдвигалась необходимость облегчения срединной части сооружения. Это уменьшало величину распора. Принцип этот оказался настолько целесообразным, что вошел в обиход современного мостостроения.
Сам изобретатель формулирует его так: «Во всем строении все части дерева и железа от берегов с концов моста для крепости толще и тяжелее, а к середине идут по несколько тонее и легче, таковою пропорцией самые средние части против первых от берегов в концах, как два к трем…»
В третьем варианте увеличивается количество решеток, что обусловливает большую грузоподъемность моста. Модель в этом варианте конструктивно улучшается, условия эксплуатации моста также. Наконец архитектурно проект выполнен чище. Продуманы порталы моста и детали его украшения.
Место для своего моста Кулибин выбрал рядом с наплавным Исаакиевским мостом. Упорами для него должны были служить каменные фундаменты. Длина арки проектировалась в 298 метров (140 саженей).
Пролетное строение состояло из шести основных арочных ферм и двух дополнительных. Последние предназначались для обеспечения поперечной устойчивости моста.
Основными несущими элементами моста являются четыре средние арочные фермы, расположенные попарно и параллельно на расстоянии 8,5 метра одна от другой. Между ними заключен проезд.
Чтобы обезопасить строение от ветра, а также для лучшей связи арочных ферм, Кулибин придумал мощные пояса. Они играют роль боковых упоров.
В этом проекте идея арочной фермы и получила более четкое конструктивное оформление. Здесь были уточнены геометрические ее размеры и детально разработаны отдельные элементы.
Арка состоит из ряда брусьев длиной в 17 метров каждый. Они образуют ромбическую решетку. По вертикали расположены 5 ромбов и вдоль арки 208. В местах пересечения брусьев они взаимно врубаются друг в друга на 4,4 сантиметра каждый и связываются болтами и шайбами. Сечение брусьев при неизменной длине уменьшается в весе от пяты к замку арки. Так ревниво оберегается изобретателем принцип уменьшения веса моста от опор к середине.
Проезд по арке был сделан из дощатого настила вдоль оси моста. Достойно удивления, что проезжая часть устраивалась почти горизонтально, и поэтому должна быть отвергнута легенда о крутизне проезда по мосту, о чем в свое время много писалось и говорилось.
Для скрепления деревянных частей Кулибин предполагал применить болты. Итак, пролетное строение представляло «трубу», составленную из решетчатых ферм, связанных между собой поперечными крестами. Для арки требовалось 12 908 деревянных элементов, 49 650 железных болтов, 5 500 железных четырехугольных обойм.
Кулибин оставил очень мало замечаний и чертежей по конструкции опор, однако можно догадаться, как он их проектировал. В грунт вбивались наклонные сваи, являвшиеся продолжением арки. Ряды этих свай соответствовали поясам арки. Под нижний пояс, как более мощный, он предлагал забить два ряда свай. Кроме того, он надеялся усилить сопротивляемость бутовой кладкой.
Жаль, что до сих пор не найдено полного описания производства работ по предполагавшемуся сооружению этого моста. Есть данные, свидетельствующие, что такое описание существовало. В XVIII веке проекты крупных сооружений уже сопровождались указаниями, как провести их в жизнь. Часто работа гарантировалась собственным денежным риском инженера. Кулибин, не имевший дотоле опыта в этом деле, а тем более средств, обязательно должен был представить описание самого процесса работы по постройке своего сооружения.
По сохранившимся схемам и записям можно судить, что процесс постройки был предусмотрен во всех деталях и включал ряд интереснейших изобретательских и рационализаторских идей.
Так, например, конструкцию арки во время работ Кулибин предполагал удерживать тросами, переброшенными через специально устроенные на берегах башни. Сохранилась схема таких башен и чертеж общей схемы производственных работ. Даже для того только, чтобы выяснить, насколько в этом применимы канаты, Кулибин наметил целую программу опытов:
«1. Попробовать взять железной проволоки трех-аршинной, взвесить, потом приискать таковых ровно весу и меры бечевку и пробовать: которая на себе больше тяжесть поднимает. 2. Взять железную проволоку 120 сажен и взвесить, потом растянуть через вертлуг, тяжестью порвать, из того можно будет узнать, какую против своей тяжести можно поднять тяжесть».
Сборку лесов Кулибин проектировал провести зимой. В связи с этим им был исследован вопрос грузоподъемности льда Невы.
Все продумано и предусмотрено. Так, под «полатями», на которых предполагалось собирать арки, он думал установить сваи, вмороженные в лед. Столь же тщательно разработан был процесс производства работ по постройке основных арочных ферм. Для их заготовки и разметки Кулибин хотел построить горизонтальную площадку и на ней сделать точный чертеж арок моста. Этот прием и сейчас употребляется при постройке больших деревянных арочных мостов и прочных кружал под каменные, бетонные и железобетонные мосты. Он был применен, например, в наше время при постройке моста через канал имени Москвы, у станции Химки Октябрьской железной дороги.