英国著名的桥 ——不列颠尼亚旧桥

不列颠尼亚桥位于英国西部的安格尔西岛和威尔士大陆之间，横跨梅奈海峡。本文的“大笨桥”，说的是1850年建造的旧桥，因其耗资之大，体量之笨，故称之为“大笨桥”。旧桥在服役100多年后，被一次火灾严重损毁。如今伫立着的两跨钢桁架系杆拱桥，是上个世纪下半叶重建的新桥。

不列颠尼亚旧桥是一座铁路桥，通车时以巨大独特著名。说其巨大，是大桥的长度位居当时的锻铁桥之首；说其独特，是大桥用的巨型箱梁，将铁板铆接缀连，构成一个长方形封闭管道，管道的尺寸大到足以让火车在其中穿行。这种截面形式在当时称之为“Tubular beam”，即“管梁”。

管梁桥型的选择

1800年，英国和爱尔兰议会签订的法案确定了两国的联盟。1815年，伦敦至霍利黑德、兰开夏郡至霍利黑德之间的道路修通，为伦敦和都柏林建立了便利的邮政通信。随着两国政府联盟关系的密切，英国与爱尔兰的贸易量逐渐增长。1840年，切斯特（Chester）与大枢纽铁路（Grand Junction Railway）之间的局域铁路通车。1844年7月，酝酿中的切斯特到霍利黑德港线路计划获得了皇家同意，成为正在逐步构建的英国铁路网络的一个部分。这条双线铁路沿着威尔士北部海岸，穿跨过康威（Conway）河，在班戈（Bangor）跨越梅奈海峡。进入安格尔西岛，然后继续前往西端的霍利黑德码头。这里与对岸的都柏林隔着105公里宽的爱尔兰海，是英国与爱尔兰最短的航运线。铁路建成后，将使得从伦敦到都柏林的旅程时间减少6个小时。

于是，跨越梅奈（Menai）海峡，连接威尔士大陆和安格尔西岛的不列颠尼亚桥，便成为从伦敦到霍利黑德港直接通行的关键节点。以“火箭”机车奠定了铁路的蒸汽牵引动力的斯蒂芬森父子乔治和罗伯特，是切斯特到霍利黑德铁路和不列颠尼亚大桥的主要技术负责人。父亲乔治确定了铁路的选线，儿子罗伯特是其中的两座大桥，即不列颠尼亚大桥和康威大桥的总工程师。

图1 切斯特到霍利黑德铁路（沿海岸的红线）

梅奈海峡位于安格尔西岛和威尔士西北海岸之间，大致为西南-西北走向，全长约18公里，水道宽度从300米到1200米不等。爱尔兰海的海水在这里的落差约为7米。海峡的宽度和深度都足以使当时最大的船只航行无碍。斯蒂芬森选择的桥位处，海峡的中心有一个长约100米、宽约60米的长方形巨岩，称为不列颠尼亚礁石。这座桥便是因这礁石而得名。

斯蒂芬森最初的铁路桥方案是建造一座两跨铸铁拱桥，以不列颠尼亚礁石作为拱桥的地基，跨度约140米。但由于梅奈海峡是英国海军的一条重要水道，海军部对桥下净空有严格要求，且不容许使用脚手架或临时墩。拱桥方案没能获得海军部的批准。

斯蒂芬森的另一个选择是悬索桥。他考察了不远处，1826年由泰尔福德设计，跨度为176米的梅奈悬索桥。当时道路上的大多数交通工具都是马车，梅奈悬索桥的通行能力只是4.5吨，桥面只有7.3米（24英尺）宽的车道，桥梁的结构宽度只有12米，并且没有坚固的加劲梁。这座桥建成后不久，刚度不足的缺陷就在梅奈海峡的大风中暴露无遗，不得不在建成16年后（1840年）对桥面进行了加固。因此斯蒂芬森认为，用类似的轻型木结构桥面不能提供铁路的牵引机车所需要的强度和刚度。

斯蒂芬森也研究了在美国由罗伯林建造的悬吊渡槽，但当时罗伯林早期最为成功的特拉华水道桥还在建设过程中，不能为斯蒂芬森提供成功的参考。根据斯蒂芬森以往的经验，他反对将桁架结构与悬挂结构的结合用于铁路桥，因为渡槽只承受均布荷载，而类似构造用于承受很重的列车荷载，在移动的集中活载作用下，桁架与悬链两个部分的稳定性完全不相容协调，“整个桁架的复杂应变无法计算”。这一缺陷可能危及整个结构的安全。铁路桥“需要一个更强大和更笨重的系统”。此外，由于蒸汽机车本身的火灾隐患，出于耐久性和火灾风险的考虑，斯蒂芬森认为不列颠尼亚桥不应该使用木结构。

图2 “大笨桥”最初的设计方案

1841年，斯蒂芬森曾经设计过一座跨度为15米的铁梁桥。这座桥的刚性符合他“强大而笨重“的要求。斯蒂芬森最初的想法是用两个上下翼缘对接的工型板梁构成不列颠尼亚桥的主梁，除两端的支座外，另外用铁链提供悬吊辅助支撑。大桥设计为两排平行的4个主跨，为双线铁路提供穿越海峡的通道，跨度布置为70.1m+140.2m+140.2m+70.1m。按照当时梁桥的设计原则，梁高大约为跨度的1/15。对于140米的跨度，梁高至少需要9米。如此高大的梁，足以让列车从中穿行。巨型管状桥就这样诞生了。

以试验为基础的管梁设计

在1845年6月30日，英国议会通过了修建不列颠尼亚大桥建设的立项。大桥的设计运营荷载是一节机车、一节煤水车以及20节车厢，总重约200吨，换算成线荷载，是每延米3.28吨（1 ton/ft）的均布荷载。

在19世纪中叶，纳维根据弹性线的数学公式推导的弯曲理论是梁结构的理论计算依据，但当时这个理论的实际应用远不像今天的应力计算公式简洁。另外，连续梁的理论和三弯矩方程的计算方法还处于研发阶段。在不列颠尼亚桥的强度和变形计算中应用了这些当时最先进的理论，并且通过试验对计算结果进行验证。

在1845年的英国，连续梁理论是不久前才从国外（法国）引进的新理论，几座用铸铁建成的大跨度桥梁都是拱桥。用锻铁板件制造巨型管道梁，诸如管道形状、各部分比例、板件厚度、铆钉连接等等，都是第一次，毫无经验可循。而且，许多今天的结构工程师耳熟能详的知识，在当时还不存在。在很大程度上，对不列颠尼亚桥管梁桥型方案的可行性论证，管梁的截面形状和细部尺寸的设计，都是依赖结构试验完成的。

为斯蒂芬森的巨型管梁桥提供可行性论证依据，并最终确定了管梁截面设计方案的，是两位金属结构的制造和材料研究的先行者。其中，费尔贝恩（William Fairbairn，1789-1874）有制造铁船的经历，这为他在铁板的结构性能和结构工艺方面积累了丰富的知识和经验；霍奇金森（Eaton A. Hodgkinson，1789-1861）是材料强度研究的高手，他在19世纪初期完成了铸铁和大理石等材料的立柱强度试验，并对工字形铸铁和锻铁板梁的承载行为有过深入研究。

第一阶段的试验是寻找最佳的截面形状。结构方案是用铁链提供辅助支撑的管梁，管梁的基本尺寸已经大致确定为450英尺长，30英尺高，15英尺宽。考虑到抗风和横向刚度，试验初期选择了圆形、椭圆形和矩形截面。初期对圆柱形截面管进行了12次试验，对椭圆截面管进行了7次试验，对矩形截面管进行了14次试验。同一种形状的试件以壁厚和跨距作为变量，以简支梁受力模式，在梁的跨中施加增量集中荷载，直到试件破坏。

试件呈现的破坏形式有管梁顶部的局部受压屈曲，和底部板件在铆钉连接处的撕裂。正是这些试验，第一次揭示了薄壁构件的局部屈曲破坏。此前没有人注意到这种破坏形式，也从未有过金属板件抗屈曲性能的专门研究。在这一阶段的模型试验中，这种破坏形式一再出现，不仅出现在受压的顶板，也出现在两侧腹板局部。这种破坏形式引起了广泛注意，甚至一度可能否定斯蒂芬森的管梁方案。因此，在后来的模型试验中，板件屈曲成为最重要的调查对象。

第一阶段的试验结果表明，圆形和椭圆形截面铁管在竖向荷载作用下，截面刚度较小，容易变形，不利于抵抗弯矩；三种截面的抗弯刚度比，圆截面与椭圆截面相差不大，若圆截面的抗弯刚度为1，则椭圆截面为1.17；矩形截面为1.65，实属最佳。而且矩形截面管梁在竖向荷载作用下的行为与普通的工字梁类似，这使得试验结果简单易懂，可以套用翼缘的受力性能来解释管梁的顶板和底板。这种简单性在一定程度上支持了矩形截面的选择。

图3 管梁的横截面和侧立面

第二阶段的结构试验重点是顶板、底板和侧板的构造，以及铆接强度的研究。根据费尔贝恩和霍奇金森的试验报告，管梁的顶板和底板采用了铆接空心板，这样可以有效利用材料的抗拉和抗压效率，提高管梁的整体承载力。另外，在管梁的侧板两面布置竖向加劲肋，有效阻止侧板的局部屈曲变形。

最终确定的梁截面如图3所示。管梁的横向截面为矩形。梁的外部的宽度是4.47米，梁段中部侧板厚度12.7毫米（0.5英寸），梁端部侧板较厚为16毫米（0.625英寸）。内侧设有178毫米(7英寸)宽的加劲肋，内部的净宽为4.09米（13英尺5英寸）。梁高略有变化。最高处在中部桥墩处，外部轮廓高度为9.14米（30英尺），在桥台处减少到6.93米（22英尺9英寸），列车通行的最小净高为5.71米（18英尺9英寸）。

在1846年6月至1847年5月的一年时间里，费尔贝恩和霍奇金森完成了第三阶段的试验。这是六个按照1：6比例设计的大型模型试验，目的是获得管梁的破坏荷载，并完善管梁的截面构造细节设计。根据模型试验结果的推论，截面构造如图3的铁管梁，跨度为140米的简支梁，破坏荷载超过设计需要强度的两倍。这个试验结果使得原来方案中的辅助铁链成为累赘，并最终被放弃。而此时的桥塔施工已经完成，于是原来计划支撑铁链大缆的桥塔变成纯粹的装饰。不列颠尼亚大桥的版画，再现了大桥的雄姿，跨中三个桥塔的上塔柱，为大缆穿过桥塔预留的空间清晰可见。

图4 版画不列颠尼亚桥

此外，斯蒂芬森委托桥梁大师布鲁内尔（Brunell,I.K.，1806-1859）独立进行了一个试验，对四跨连续梁挠度计算数值进行验证。试验结果与计算结果的吻合令人满意。

整跨架设的壮举

不列颠尼亚桥的架设工艺是整跨提升架设的先驱。大桥的两个边跨是在现场的支架上拼装，中间两跨的四节管梁的制造场地选择在桥位附近，那里在低水位时裸露出一条岩石带，其宽度和长度足以建造一个大平台，作为制造四节管梁需要的场地。

图5 制造和架设

管梁的架设过程如下：

1. 在桥位现场搭建支架，拼接梁段AB和DE；

2. 在外场地上搭建临时支架，构建拼装平台，拼接建造梁段BC和 CD；

3. 在梁BC和CD完成后，移走中部的临时木支架，这时管梁的两端被置于两个矮墙上，成为简支梁，因此可以进行试验“架设期间的自重”承载和挠度测试；

4. 在低潮位时将四个浮筒放置在支撑管梁的矮墙之间，当潮水上升时，浮筒随潮水上浮，向上托起管梁，使其脱离原来的支撑矮墙；四个浮筒提供的浮力约为1600吨， 140米长的管梁总重大约1400吨；

5. 通过使用绳索、绞车等机械装置，将BC段管梁浮运就位；

6. 用液压顶升装置将梁段抬高，落放到桥墩上的支座上；

7. 浮运梁段CD就位；

8. 此时的梁段BC和CD是在自重荷载作用下的简支梁;梁端由于自重的挠度将产生倾角φ；

9. 将梁段AB在A端顶高到w=φ·lAB，使得两个梁段的端部倾角相同，然后完成接头B，连接AB与BC，A端回落原位；

10. 类似的方法，在D端顶升梁段CD，匹配CD与BC在C点的梁段转角，完成接头C，D端回落原位；

11. 在E端抬高梁段DE，匹配DE与CD在D点的梁段转角，完成接头D，E端回落原位。

图6 管梁的整体浮运就位

整个安装过程的关键是在测量和控制管梁的挠度和支座处的转角，支座B、C、D处的标高和C、D两个接头的设计，应用了连续梁变形与应力分布的关系，目的是利用支座位移和梁端转角，合理分配梁段BC和CD在跨中和在支座C处的弯矩。

不列颠尼亚桥于1846年开工，1850年3月5日开通运营。

“大笨桥”的价值

不列颠尼亚桥的总造价在当时大约为60万英镑，其中试验经费占全桥费用的0.67%。作为一种桥型，管梁桥的生命很短暂。这座大桥选择了一个不合适的桥型方案，导致极高的工程造价和科研费用。不列颠尼亚大桥通车后不久，挥霍无度的铁路热潮消退，除了在同时期建造的另外两座管梁桥，即同一条铁路线上的康威桥（Conway, 跨度141米），和在1850年建造的主跨68.6米、横跨埃尔河的布拉泽顿大桥（The Brotherton bridge）外，1860年在大英帝国的殖民地加拿大架设了一座类似的大桥——维多利亚桥（Victoria）。从图7可以看出，维多利亚铁路桥取消了桥塔。

在不列颠尼亚桥建设过程中，有关的力学计算、材料强度、施工方案等等的研讨，伴随着大桥的建成，最终产生了极其丰富的科研成果，对桥梁工程学科的贡献，远远超出了切斯特和霍利黑德铁路跨越梅奈海峡所带来的社会和经济效益。大桥的成功对金属结构的应用起了极大的促进。有历史学家甚至认为,如果不是不列颠尼亚桥的推动，很难想象铆接熟铁会迅速成为桥梁建设的主要结构材料。

作为一个案例，不列颠尼亚大桥的管梁桥型、薄壁截面设计、连续梁结构计算、大面积铁板制造和连接、大吨位整段梁体的架设，几乎每一项都是当时桥梁工程的世界第一，即使在今天也可圈可点。大桥建设的全过程没有先例可循，只能基于经验、试验和理论的相互指导、相互验证，并在实施过程中不断调整纠正。这种工程建设模式，在本质上成为工程科学原理和方法与工程实践经验完美结合的典范，至今仍有现实指导意义。

不列颠尼亚管梁桥不仅出现在20世纪初泰瑞尔（Tyrrell, H. G. 1911）和沃德尔（Waddell, J. A. L. 1916) 的有关桥梁工程发展史的论述中，也出现在铁木辛柯（Timoshenko, S. 1953) 论及材料强度试验发展历程的著作中。在现代多部论及结构理论发展史的专著中，不列颠尼亚桥都是作为连续梁理论应用的经典案例，占据不少篇幅。显然，这座“大笨桥”是桥梁工程发展史中的一个标志。