桥梁 —— 世界上最壮观的跨越史

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灾难 (Catastrophe)

1964 年阿拉斯加百万美元大桥倒塌

2007 年 10 月，数十名双子城居民聚集在一起讨论在明尼阿波利斯和圣保罗之间修建一座新桥。他们的反馈意见将帮助设计人员设计一座新桥来取代当年早些时候倒塌的那座桥；8 月 1 日，八车道 I-35W 大桥中央 1,000 英尺（305 米）跨度的桥发生灾难性倒塌，从 108 英尺高处坠入密西西比河。十三人死亡，数十人受伤。居民们心情低落但乐观，准备支持重建。然而，坐在一张桌子上的人却面色灰白，沉默不语。他们是明尼苏达州交通部的工程师，后来被免除责任，他们被委托负责倒塌大桥的维护。除了直接的悲剧性成本外，桥梁倒塌还会造成其他不太明显的损失。

不过，也有一线希望：I-35W 倒塌引发了一场关于美国基础设施腐朽的迟来的讨论。艾森豪威尔时代是公路和桥梁的鼎盛时期，1956 年《联邦公路援助法》颁布后，公路和桥梁的数量成倍增加，许多桥梁的结构寿命已到尽头；通常，一跨桥梁的预期寿命为 50 年。2013 年，美国土木工程师学会报告称，美国 607,380 座桥梁中，有九分之一存在结构缺陷，平均寿命为 42 年。

这座桥似乎是永恒的事物之一；它不可能倒塌。

——桑顿·怀尔德，《圣路易斯雷大桥》，1927 年

这并不是第一次调查。1889 年，工程师西奥多·库珀 (Theodore Cooper，1839-1919) 记录了火车施加的载荷。他呼吁仔细计算应力、进行材料测试和检查，但他补充说，桥梁的稳定性更多地取决于工程师的直觉，而不是“仅仅依靠应力理论”。十八年后，当他参与了一场臭名昭著的桥梁倒塌事件时，他的话又回来困扰他。

到十九世纪末，随着铁路的扩张，桥梁倒塌变得越来越频繁和令人恐慌。资深学者仍在争论有多少座桥梁倒塌——有人说四分之一；另一些人说四千分之一。许多倒塌都是由结构缺陷以外的原因造成的，包括火车脱轨、火灾和洪水。

伊蒂尔镇的口号是“按英里建造，按码切割”，描述了许多公司竞相建造更多更长的铁路桥的态度和方法。虽然这促进了经济实用的金属桁架桥的发展，但也充斥着腐败——在材料和桥梁技术设计审查上偷工减料的情况并不少见。然而，由备受尊敬的工程师设计的桥梁也倒塌了，这表明人为失误在桥梁倒塌中发挥了普遍作用。

罗伯特·斯蒂芬森 (Robert Stephenson) 于 1846 年建造的横跨英国迪河的迪河大桥是当时最长的金属桁架桥，是第一座金属桥倒塌的案例，如果当时已知的信息能够提供给工程师，这种倒塌或许可以避免。早期桁架桥的成功导致其跨度长度逐渐增加，而没有考虑额外长度带来的额外结构需求。桥梁大梁在这些未考虑的压力下弯曲并于 1847 年 5 月 24 日倒塌，造成五人死亡。

2007 年，明尼阿波利斯密西西比河上的 I-35W 大桥倒塌，引发了全国范围内关于桥梁基础设施老化的讨论。

1879 年，泰桥倒塌

1907 年魁北克大桥倒塌

2005 年飓风卡特里娜席卷密西西比湾沿岸地区后，密西西比州比洛克西与欧申斯普林斯之间的美国 90 号公路大桥只剩下了支撑柱。

2001 年 9 月 11 日，双子塔倒塌，摧毁了曼哈顿下城的几座桥梁，包括跨度 95 英尺（29 米）的北桥。它的孪生兄弟（如图所示）位于更南边，幸存了下来。

1879 年 12 月 28 日，托马斯·布奇 (Thomas Bouch) 设计的横跨苏格兰泰河的泰桥在一场大风中倒塌，造成 75 人丧生。这座铁路桥于 1878 年完工，被誉为“工程上的胜利”，布奇也因此获得爵士称号。后来人们发现，布奇过于自满，他依赖的是过时的数据，而忽略了猛烈阵风的动态力量。

1907 年，加拿大圣劳伦斯河上的魁北克大桥倒塌，技术错误、公司吝啬、沟通不畅和职业傲慢等因素共同导致了 75 名工人死亡。魁北克大桥公司聘请西奥多·库珀 (Theodore Cooper) 为凤凰大桥公司的悬臂设计提供咨询，库珀认为这是提交的所有设计中“最好、最便宜”的；魁北克通常希望尽可能少花钱。库珀将大桥主跨长度从 1,600 英尺（488 米）增加到 1,800 英尺（549 米），但并未重新计算应力。据 1907 年 11 月 28 日的《工程新闻》报道，当被问及他的工作是否合理时，库珀回答说：“没有人有资格批评我们。”

1907 年 8 月，大桥南臂悬挑约 600 英尺（183 米），发现大桥底部和顶部的桁架构件或弦杆弯曲后，人们进行了三周的争论，争论的焦点是它们何时弯曲，而不是弯曲的原因。库珀在大桥上部结构施工期间从未到现场，他于 8 月 27 日发了一封电报，要求停止施工，直到弦杆弯曲问题得到解决。电报被忽略，要么未送达，要么未读，施工一直持续到 8 月 29 日大桥倒塌。讽刺而可怕的是，它的替代桥也在 1916 年倒塌，造成 13 人死亡。

魁北克大桥灾难将影响长距离悬索桥的发展。然而，塔科马海峡上的悬索桥在 1940 年倒塌，因为设计师没有考虑空气动力（见此处）。1970 年，两座新型钢箱梁桥倒塌，一座在威尔士，另一座在澳大利亚，原因是设计和施工问题。

1977 年，保罗·西布利和阿拉斯泰尔·沃克注意到了三十年的桥梁倒塌周期及其共同特征。所涉及的每座桥梁都是一种新型桥梁（桁架梁、桁架、悬臂、悬索和箱梁），是为了应对早期桥梁倒塌而开发的。工程师兼作家亨利·佩特罗斯基将西布利和沃克的研究结果延续了三十年，并推测下一次倒塌可能涉及斜拉桥设计，这是最新类型的桥梁。

虽然人为错误永远是一个变量，但其他领域的改进——更可靠的材料、更好的施工方法、更广泛的测试，以及认识到失败最能说明成功的设计，应该被广泛记录和分享——已经消除了一些不确定性。桥梁仍然很脆弱。气候变化造成的极端天气造成了灾难性的损失，全球动荡也是如此。还有很多工作要做。每四年，美国的土木工程师都会评估国家的基础设施并发布一份老式的成绩单。2017 年，美国的桥梁获得了 C+。

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不列颠尼亚桥 (Britannia Bridge)

• 跨越：威尔士安格尔西岛梅奈海峡(Menai Strait, Anglesey, Wales)
• 设计：罗伯特·斯蒂文森 (Robert Stephenson)
• 建成：1850 年
• 桥长：中心跨度 459 英尺（140 米）；末端跨度 230 英尺（70 米）
• 材料：锻铁、石灰石 (Wrought iron, limestone)
• 桥型：铁梁 (Iron girder)

斯蒂芬森对锻铁的使用彻底改变了十九世纪的建筑方法。

19 世纪上半叶的“铁路热潮”使英国的桥梁数量从 30,000 座增加到 60,000 座，翻了一番。不列颠尼亚桥的巨型铁梁高 30 英尺（9.1 米），宽近 15 英尺（5 米）。

1838 年，托马斯·特尔福德在威尔士梅奈海峡上建造了革命性的悬索桥 12 年后，罗伯特·斯蒂芬森 (1803-1859) 设计了第二座梅奈海峡大桥。斯蒂芬森是“铁路之父”乔治·斯蒂芬森的儿子，他受命在特尔福德大桥以西一英里处建造一座专供铁路交通使用的桥梁。由于斯蒂芬森必须跨越海峡而不妨碍船只通行，因此拱桥（需要在狭窄的海峡中间设置临时支撑）不是一种选择。

斯蒂芬森与开创性的冶金学家、工程师和造船师威廉·费尔贝恩 (1789-1874) 一起，尝试使用合成材料铁。偶然的是，威尔士亲王号（一艘锻铁蒸汽船）在下水时意外悬空，但船体没有损坏。这次事故促使他们提出了用铆接锻铁管桥横跨海峡的新计划。 1847 年，不列颠尼亚号在航行途中，斯蒂芬森的迪桥（此处）倒塌，造成五人死亡，身为总工程师的斯蒂芬森承担了事故的责任，由此可见斯蒂芬森对这项未经试验的技术充满信心。尽管遭遇挫折，两人仍继续前进。他们的大胆尝试造就了里程碑式的结构，并推动了箱梁的发展，并引入了锻铁，这种材料将彻底改变十九世纪的建筑风格。

“这些管子塞满了我的脑袋。我上床睡觉时脑袋里全是管子，起床时脑袋里全是管子。”

——罗伯特·斯蒂芬森，1844 年 4 月 27 日写给托马斯·古奇的信

这座桥由两个独立的箱形隧道或管道组成，它们并排设置，总长度为 1,511 英尺（461 米），由三座巨大的石灰石塔支撑。中央塔高 221 英尺（67 米），锚定在布列塔尼亚岩上，这座小中游岛就是这座桥的名字的来源。最初，矩形管道由悬挂在塔上的链条支撑，但费尔贝恩意识到，如果用加强筋加固管道，它们可以在没有链条的情况下支撑自己的重量。为了保护铁管免受天气影响，一个木制屋顶覆盖了它们的长度。

斯蒂芬森于 1846 年 9 月 21 日奠基了第一块塔石。当第一根布列塔尼亚管道于 1849 年漂浮到位时，两位结构锻铁巨头，伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔（1806-1859 年）和约瑟夫·洛克（1805-1860 年）站在斯蒂芬森身边。 1850 年 3 月 18 日，第一列火车驶入这条开创性的地铁，第二条轨道也于同年 10 月开通。这三人都英年早逝，而且相隔不到一年，维多利亚工程史上一个重要的时代就此终结。

最大的难题是将重达 1,830 吨（1,660 公吨）的中央部分抬起。斯蒂芬森通过将大梁漂浮在浮桥上（这次海峡的极端潮汐是帮凶）并用液压升降机将它们抬到桥墩上解决了这个问题。

这座桥很稳定，承受着一个多世纪以来隆隆作响的重压。最终，两个男孩导致了它的毁灭。1970 年 5 月 23 日，在寻找蝙蝠栖息地时，男孩们爬上了桥的木质屋顶，离开时扔下了一颗火炬。屋顶和整座桥都着火了，管道损坏得无法修复。这座桥用拱门重建——具有讽刺意味的是，考虑到斯蒂芬森最初的参数——于 1972 年重新开放，八年后还增加了一条混凝土路面。

四只巨大的石狮，每侧各两只，长 25 英尺（7.6 米），高 12 英尺（3.7 米）。中心塔楼原本计划放置同样令人印象深刻的不列颠尼亚雕像，但成本过高。

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康沃尔-温莎廊桥 (Cornish-Windsor Covered Bridge)

• 跨越：新罕布什尔州康沃尔 - 佛蒙特州温莎 康涅狄格河(Connecticut River, Cornish, New Hampshire–Windsor, Vermont)
• 建造：詹姆斯·塔斯克和贝拉·弗莱彻 (James Tasker and Bela Fletcher)
• 建成：1866 年
• 桥长：长度 450 英尺（137 米）
• 材料：东部云杉 (Masonry)
• 桥型：城镇格构桁架 (Town lattice truss)

建造者很快意识到，如果没有屋顶，木桥就撑不了多久。

美国最长的廊桥

1989 年 12 月 8 日，新罕布什尔州康沃尔的天气很冷，气温远低于冰点，寒风阵阵，让人感觉更加寒冷。尽管如此，仍有一千多人前来庆祝康沃尔-温莎廊桥的重新开放，这是北美最长的双车道廊桥，也是世界上第二长的廊桥。

这座桥横跨康涅狄格河，由詹姆斯·塔斯克和贝拉·弗莱彻于 1866 年建造，这两个当地人虽然没有受过教育，却成功地利用他们实际的、往往是直觉的专业知识建造了一个持久的桁架结构。之前有三座桥横跨此处，但都被洪水冲毁了。新罕布什尔州历史学会的记录显示，要过塔斯克和弗莱彻的桥，至少最初，行人要支付 2 美分的过桥费，马和骑手要支付 6 美分，而“由四头牲口拉的马车”则支付最高的 25 美分过桥费。不久，业主就提高了通行费；在最初五年里，这座桥带来了 7,171 美元的收入，毛利润为 5,879 美元。新罕布什尔州于 1935 年购买了这座桥，并继续将其作为收费桥运营，直到 1943 年取消了通行费。

“我认为做出的最重要的决定是修复这座桥，加固这座桥，并以此加强这项美妙的工艺传统、美感和新英格兰的魅力。”

——佛蒙特州州长玛德琳·M·库宁，1989 年在康尼什-温莎廊桥重新开放仪式上

该结构为 Town 格构桁架，以其发明者 Ithiel Town 的名字命名（见此处）。Town 的 1820 年框架设计由两层木板组成，倾斜形成格构，这是一种重叠的三角形结构，可以分散负载，并且对于长跨度至关重要，可以赋予高刚度或刚性。最重要的是，Town 桁架可以由非熟练工人以低成本建造。Town 桁架一直使用到二十世纪。

木桥曾经在新英格兰很常见，该地区拥有丰富的森林和锯木厂。木材曾经是并且现在仍然被认为是桥梁建设的特别好的材料，因为它在倒塌之前很久就显示出损坏迹象。在这种情况下，1908 年的一份报告表明，这座桥的下垂为 9 英寸（23 厘米），到 1986 年，当每天有 2,500 辆汽车通过时，下垂度增加到 17 英寸（43 厘米）。然而，这座桥仍在继续使用。

立面图展示了康沃尔-温莎的砂浆石墩和桥台，以及 36 扇窗户中的 18 扇。它的总长度为 450 英尺（137 米），两个净跨度分别为 204 英尺（62.2 米）和 203 英尺（61.9 米）。内部道路宽近 20 英尺（6 米），垂直净空略低于 13 英尺（4 米）。

1812 年，德国移民刘易斯·沃恩瓦格 (Lewis Wernwag) 在斯库尔基尔河上修建了第二座大桥。这座桥跨度 340 英尺（104 米），被称为费城巨像。这座桥因其惊人的长度而被称为“世界奇迹”，并被无数版画永久铭刻，比如这幅。

修复工作需要进行，但由于修复过程的争论而被推迟。使用木材将桥梁恢复到 19 世纪的标准，虽然符合历史原貌，但会改变其风景如画的外观。包括全国廊桥保护协会在内的许多人都反对交通部门使用现代材料修复桥梁的决定。虽然这是一种妥协，但它保留了桥梁的历史外观并满足了现代公路的载重等级，使其能够继续使用。修复工作于 1988 年开始，一年后桥梁重新开放。

康沃尔-温莎桥是美国为数不多的幸存的有顶木桥之一。第一座廊桥，即费城斯库尔基尔河上的永久桥，于 1805 年开通。这座 550 英尺（168 米）跨度的桥是由马萨诸塞州纽伯里波特的蒂莫西·帕尔默设计的。他最初的设计没有屋顶，但他被鼓励加上屋顶；有顶的桥可以持续使用三十到四十年，是没有屋顶的桥的三倍。永久桥通车后，屹立了四十五年，而廊桥成为了常态，而非例外。

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