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一生一桥:詹姆斯·布坎南·伊兹

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龙行天下 发表于 2019-8-20 17:57:14 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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19世纪的美国,有一位卓越的工程师—詹姆斯·布坎南·伊兹(James Buchanan Eads),他主持设计建造了世界上第一座以钢结构为主的桥梁——伊兹桥(Eads Bridge)。
詹姆斯·伊兹1820年5月23日出生于美国印第安纳州的劳伦斯基堡,1887年3月8日在巴哈马拿骚去世。童年时代因父亲经商失败,家境不堪,13岁时,他已离开学校开始工作以帮助养家糊口。幸运的是,在威廉斯杜林干货店做杂工的时期,他结识了老板巴雷特·威廉姆斯先生。威廉姆斯允许伊兹工作之余可以在商店附近的图书馆读书,正是这段时间,伊兹利用工作之余阅读了一些物理科学、力学、机械和土木工程方面的书籍。伊兹的一生是勇敢且坚定的,他把这种个性贯穿到竭尽所能地去学习所有他所涉及的任何课题的愿望中去。作为一位工程师,他没有进过正规学校进行过学习。但是,无论他所到何方,都尽可能设法增长知识,阅读每一本可能找到的书籍。
天才少年
伊兹在美国中西部长大,13岁时来到圣路易斯市。18岁时,在熙熙攘攘的内河船业中他找到了自己的第一份工作。22岁时,他发明了一种能够潜入河流深处找回丢失物品的打捞船,并在此方面获得名望。他在用于抢救工作中重要的机械设备方面具有极高的天赋。在美国内战时期,这个天赋得到了极大的发挥空间。他向联邦政府提出建议,建造一支蒸汽动力装甲战船队在河上航行作战,并最终取得了重要的胜利。也正由于此,战争结束后,伊兹被选定指导一项困难系数颇大的工程项目,即在圣路易斯架设跨越密西西比河的桥梁。
当年,圣路易斯市在经贸上要与芝加哥竞争,但却因为这里没有火车可以横过密西西比河的通道,所以火车不经过圣路易斯,由此经贸便无法发展。
内战过后,圣路易斯市欲在经贸发展上有所突破。1866年,由政府牵头提出在圣路易斯修建一座跨过密西西比河的桥梁。圣路易斯跨越密西西比河曾有过四次计划方案,分别是悬索桥、悬索桥结合抛物线形拱、管道桥和桁梁桥几种方案,由于种种原因最终都被否定。有经验的桥梁工程师们均犹豫不决,而詹姆斯·伊兹虽然从未修建过一座桥梁,却挺身而出。他知道如何组织和调动人员,懂得如何铸造和加工钢铁。另外,少年时期的工作经验使得他比其他人对河流熟悉得更多。

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无畏创新
1867年7月,伊兹提出了自己的设计方案:主桥为三跨钢拱,其跨度分别为153米、158.5米、153米。伊兹出于一种细致的美学感官,把中间跨设计得比两端跨略长一些。拱肋截面为管状,为无铰拱类型,在内力分析上及施工校正上的困难,即使在今天也是令人生畏的。
1867年8月开始施工,次年2月密苏里岸的西桥台举行奠基礼。伊兹亲自将基石就位,在掌声中宣告大桥正式开工。
可是,工程并非一帆风顺。首先由于大桥涉及伊利诺伊州部分集团以及密西西比河上轮渡公司的利益,这些利益集团组建了“伊利诺伊—圣路易斯桥梁公司”,并对圣路易斯公司的建桥权提出质疑,他们对伊兹的结构方案提出带有攻击性的质疑。他们召集了一些工程师在圣路易斯举行密西西比河上建桥的“研讨会”。会上对伊兹的150多米跨度的方案做了不点名批判,他们在决议书上写道:“我们作为实践工程人员,不能向有关当局认真地推荐建造150多米的大跨径。这项工程本身也无须冒这种缺少先例的风险。”同时,在宣传时,他们竭尽全力动摇群众的信心,把伊兹遇到的一些困难夸大之后再广而告之,使群众对大桥建造前景产生疑虑。他们在报刊上形容这座桥是“需要700万年,700万美元”。
当大桥开始在伊利诺伊州一岸施工时,伊利诺伊公司诉诸法律以证明圣路易斯公司的许可证无效。圣路易斯公司逐渐意识到,除非妥协,否则会陷进一场没完没了的诉讼中。1868年3月,两家公司宣布合并。新董事会任命詹姆斯·伊兹为总工程师,并批准了他的结构方案。届时,大桥的施工因这场纠纷已经延误了将近一年,造成了几十万美元的损失。
为了恢复公众对大桥的信心,公司请总工程师发表一篇有关大桥设计的报告,伊兹于1868年5月发表了他的第一篇报告。文章叙述精辟,立论条分缕析,无懈可击,堪称工程论文的典范之作。更兼文词优美,值得每个对工程项目感兴趣的人一读。
在谈到要将桥墩立在基岩上时,伊兹写道:“我曾有机会在洪水期间考察密西西比河底。在水深20米处,河底至少有3尺深是一片移动的物体。我能感到泥沙以接近水面的流速冲过我的指缝。我坚信如不将桥墩直接立在基岩上,就没有安全可言。我在这一点上,比其他任何问题都坚信我是对的。”
在面对150多米跨度的质疑指责上,伊兹这样写道:“一座桥的跨度于工程先例毫无关系,人们常常考虑的是成本问题,所需解决的问题是多大的跨度才是最具经济价值和实用价值的。有温瓦格(L.Wernwag)在费城建造100米跨度的木拱桥在先,而现在却认为用比铸铁强8倍的材料建造150米的跨度不现实,这是荒唐的不值一驳的论断。即使没有工程先例,当我们的知识和判断都证明这是一项可行的工程时,我们仅仅因为过去没有做过就认为永远不能实现吗?按照这种浅薄的推理,大西洋海底电缆就不能铺设、梅奈海峡就不能跨越、可怕的漩涡礁上就不会有灯塔为夜里航行的船舶示警。”(伊兹提到的几个工程都是刚刚完工不久的工程杰作,属于人类辉煌成就之列。)这份报告在工程界及银行界引起了极大的兴趣和充分的讨论,使原先对他的批评偃旗息鼓。这时,伊兹也开始了全力以赴去应付工程中实际所要面临的困难。
为了恢复公众对大桥的信心,伊兹在报告中承诺,大桥中的每一个部件都要经过各种力学试验后,才能用于大桥建设中。

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跨越密西西比河
在解决了工可问题之后,不幸的是伊兹自己染上了一场严重而痛苦的呼吸道疾病。医生要求他必须休息,他向公司提出了辞职。公司拒绝接受他的辞呈,让他去欧洲彻底休养一个时期。这期间,他也并没有完全放下工程的事宜。他曾回到纽约为大桥的事与银行及铁路公司洽谈了一个月,但为了健康不得不再次回到欧洲休养。大桥施工因此被迫中断了几个月,时任第一助理总工程师费拉德上校说道:“没有了伊兹,整个公司的活力都像是熄灭了。”
虽然伊兹没有直接建桥的经验,但他的两位工程界助手亨利·弗拉德(1824-1898)和查尔斯·普费弗尔(1843-1883)可以弥补这一缺陷。弗拉德毕业于慕尼黑工艺学院,1896年成为美国土木工程师协会会长。他发明的悬臂施工方法,即用缆索从上面将拱固定,这种方法与几年后埃菲尔在杜罗桥上使用的方法极为相似。
工程的进展困难重重,但是伊兹的欧洲休养之行却最终为大桥的成功和美国的基础施工方法的发展带来了好处。伊兹原计划用围堰法为桥台及桥墩施工,即在墩址周围打下板桩形成围堰,将堰内的水抽出后即可在河底施工。事实上,大桥的西桥台就是用围堰法建造的。但在建造过程中发现河底沉船杂物太多,板桩很难打下去,形成围堰也很难使之水密。西桥台虽历经千辛万苦得以完工,但还有东桥台及河中央两个桥墩有待施工。1869年伊兹在法国维希(Vichy)参观一个用新发明的气压沉箱为桥墩施工的工地,参观后他决定也用气压沉箱法为圣路易斯大桥余下的三个墩台施工。
1869年4月,伊兹恢复健康回到圣路易斯,着手东桥墩的沉箱施工。准备工作量很大,除建筑沉箱外,还要用气泵装备好几艘船,此外还要储存备用砖石、水泥和木料。6月时,有1000人在工作;到9月,人数增加到1500人。10月,沉箱下水,在一个简单的奠基仪式上,东桥墩的基石就位。此后5个月里,随着桥墩在沉箱上砌筑,沉箱逐日沉入水中,穿入砂层,直到基岩。由于准备工作细致而充分,备用设备齐全,工程进行顺利而无阻滞。伊兹几乎每天进入沉箱视察,费拉德上校和另外两个助手轮流全天值班,以保证工程按计划万无一失进行。
为了将沉箱中的泥沙清出来,伊兹设计了一个“泥泵”,利用高压水流将沙石淤泥冲带出来。一个沉箱需要4台这种泥泵,伊兹设计的泥泵不仅可以泵出泥沙,甚至能泵出直径两三英尺的卵石。太大的石块则留在沉箱内的架子上,以便以后用混凝土填充沉箱时作为埋石。
随着沉箱的下沉,在沉箱顶部砌筑桥墩的人有一种奇特的失重感。到12月,由于天气原因,桥墩被冰封了几天,一切与岸上的交通都断绝了。好在准备工作预见到这种可能性,早早准备了足够两周用的补给以及足够的毛毯堆放在桥墩处,施工得以不间断的进行着。工程进度写在一块大黑板上,以便伊兹在岸上可以用望远镜眺望,了解实时情况。几天后,交通恢复,伊兹再来把这些人替换。这样的情况在次年的1月又发生了一次。
沉箱内的照明又是一个难题。那时还没有电灯,在高压空气内由于油灯释放出的黑烟难以忍受,只能点蜡烛。但在高压空气内蜡烛不但消耗得很快且难以熄灭。这也为施工带来了许多不便,发生过工人由于衣服着火被严重烧伤的情况。当沉箱下沉到20米时,在沉箱内装了一架电报机,可以和水面上的指挥船以及城里总工程师办公室直接通讯。
1870年2月28日,这是基础工程一个代表性的日子,一阵汽笛鸣叫告知了圣路易斯的居民:东桥墩已到达基岩。
在当时经验缺失的年代里,沉箱病的肆虐成为工程中最可怕的一个环节。东桥墩开始施工时,高气压对人体产生的生理效应,除了对耳膜的压迫外一无所知。早期的沉箱施工中,工人可以在两三个大气压下工作而未受伤害,于是就误认为在四五个大气压下同样可以正常作业。当沉箱下到21米时,工人在离开沉箱后会感到上楼梯十分困难。沉箱下到23米时,下肢麻痹甚至瘫痪的事例开始频繁发生,严重者必须进医院就医。沉箱到达基岩深度28.3米时,箱内达四个大气压,尽管箱内的工作班次和每个班次的时间都做了缩减调整,但工人生理反应依旧继续恶化。1870年3月,一个工人离开沉箱15分钟后突然倒地死亡,医生诊断死于“中风”。同日,另有一人死于医院,以后几天的时间里又有三人相继死亡。
伊兹把自己的家庭医生请到了工地做保健顾问。医生进入沉箱观察环境情况,同样在死亡线上经历了一次痛苦不堪的挣扎,幸运的是几天后得以复原。之后便对工人制定了一系列作息要求,沉箱病的情况逐渐得以好转。之后的西桥墩沉箱,虽然深度较浅,并且有了东桥墩的惨痛经历,伊兹为西桥台的沉箱施工进行了几项改进措施。其中最重要的一项是在桥台竖井内安装了升降机,把沉箱里的工人送到顶部,而免去了来回爬190级楼梯,还设立了休息室,为每个人提供床褥毛毯和茶饮饭食,保证工人得到充足的休息和正常作息。终于,可怕的沉箱病得到了有效的控制。
之后,大桥在合龙时因间隙过小,曾用60吨的冰围绕拱肋,使其因冷而缩短,最后采用了螺纹套管材解决了合龙问题。原桥面在1947年经过更新,当时采用轻质混凝土来减轻恒载。圣路易斯桥上的铁路运输流量从未达到过预计的数目,今天该桥已不再承担铁路运输任务,它依然完整无损。

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开启大跨径钢拱桥时代
伊兹为大桥上部钢结构拟的质量标准和技术规定要求十分严苛,并出于对公众的承诺,每个部件都要经受远大于设计受力的试验。由于承包商不习惯这样高标准的要求,因此在初期许多部件因不达标造成报废。但伊兹对标准和规定的要求没有做任何妥协让步,而是亲力亲为去匹茨堡的承包工厂寻求解决方法。铁价不断上涨,承包厂商面临赔本的危险。尽管如此,在伊兹的坚持下工厂还是尽力配合他的要求,产品的合格率在一次次失败后逐渐有了提高。但原设计的拱肋铸钢套筒连接点一直无法攻克,最后伊兹不得不改用熟铁铸造这部分连接点。这使得圣路易斯大桥没能成为第一座全钢大桥。
伊兹所拟的质量技术规定使圣路易斯大桥的施工水平远远高于以往的桥梁,并为以后的桥梁施工奉为圭臬,影响遍及全世界。1873年10月《工程》杂志形容圣路易斯大桥是最先进的实例工程:“在这项工程里,理论家和实践家的结合得到了完美的体现,在分析计算中用的是最新理论,在生产材料和加工方面竭尽所能,结合建造者极大的智慧,促成了这项没有先例的工程,理论与实践的融合在这里终于得以实现。”
1874年4月,大桥的上层公路面竣工;6月,下层铁路铺完并接轨。届时,大桥终于竣工。7月2日,大桥公开测试验收。两列各由7台重型机车组成的车队并行驶过大桥。两岸上下挤满了人,人们有种“千钧一发”的感觉。1874年7月4日,在美国国庆日时,大桥正式通车。
大桥建成后开启了大跨径钢拱桥的新时代,美国从此放弃铸铁和锻铁拱,肯定了精确的数学计算、材料的检验技术、悬臂安装方法及合龙技术。此桥建筑的新概念、程序和设备,在钢桥中延续使用达40年。
圣路易斯大桥的建成使圣路易斯市成为了当时美国中部的铁路枢纽,对圣路易斯市的发展和美国西部的开发起到了不可估量的作用。对美国西部来说,圣路易斯大桥是土木工程领域成就的象征,堪比东部的布鲁克林桥。由于伊兹的卓越成就,他于1920年被选入“美国名人祠”(A merican Hall of Fame),他也是第一个受此殊荣的工程师。
詹姆斯·伊兹在这之前和之后从未设计过第二座桥。伊兹为圣路易斯市设计了这座独特的桥,而罗布林和埃菲尔分别为纽约和巴黎设计了布鲁克林大桥和埃菲尔铁塔。如果说伊兹的设计并不特别出名的话,那么其主要原因是他所在的城市作为重要的世界都市稍有逊色。但当大桥建成之时,圣路易斯市把它视为复兴“圣路易斯为将来世界大城市”的象征。虽然大桥官方定名为圣路易斯大桥,但直到今天,圣路易斯市的市民仍然称其为“伊兹桥”(Eads Bridge)。
资料来源1. 《欧美桥梁设计思想》 王应良 高宗余编2. Road to the Sea: The Story of James B. Eads and the Mississippi River. By Florence Dorsey. 等



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本文刊载 /《桥梁》杂志2019年 第3期 总第89期本刊记者 / 周洋
美编 / 赵雯
责编 / 陈晨审校 / 盛超 廖玲
转载自《桥梁杂志》
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