Чепстоуский железнодорожный мост: Инженерное решение Брюнеля над рекой Уай

Введение

Мост через реку Уай между Англией и Уэльсом. Железнодорожный мост Чепстоу был построен по проекту Изамбарда Кингдома Брунеля в 1852 году. "Великий трубчатый мост" через реку Уай в Чепстоу, в месте, где она образует границу между Уэльсом и Англией, считается одним из важнейших достижений Брунеля, несмотря на его облик. Он был экономичен в плане расхода материалов и послужил прототипом для моста Брунеля в Салташе. Хотя надстройка моста была впоследствии заменена, трубчатые железные опоры, разработанные Брунелем, сохранились до сих пор. Мост является памятником архитектуры II категории.

Предыстория

Брунелю потребовалось перевести два пути Южно-Уэльской железной дороги через реку Уай. Адмиралтейство настояло на пролете длиной 300 футов (91 м) над рекой, при этом мост должен был возвышаться как минимум на 50 футов (15 м) над уровнем высокой воды. Пролет должен был быть самонесущим, поскольку, хотя сторона реки в Глостершире состоит из известняковой скалы, сторона в Монмутшире представляет собой низменное осадочное отложение, подверженное регулярным наводнениям. Таким образом, на этой стороне не было места для опоры, способной противостоять наружному давлению арочного моста или внутреннему натяжению обычного подвесного моста. В любом случае, ни один из этих типов мостов не подходил: арочный мост не соответствовал бы ограничениям по высоте и ширине, установленным Адмиралтейством, а подвесные мосты печально известны своей непригодностью для перевозки железнодорожных составов. Концентрированный вес вызывал прогиб цепей, из-за чего мостовое полотно опасно поднималось и опускалось. Единственным решением был самонесущий ферменный мост. Роберт Стивенсон построил мост через реку Конви (1848) и пролив Менай (1850) с пролетами длиной 137 м и 450 футов соответственно, используя большие секции коробчатых балок из кованого железа, соединенные заклепками. Использование коробчатых балок, подобных тем, что были применены в Конви, было бы очень дорогим и тяжелым в Чепстоу (что проблематично, поскольку пролеты пришлось бы поднимать намного выше, чем в Конви). Брунель, верный своему характеру, искал радикальное решение. Он уже построил арочный мост с натянутыми фермами в Виндзоре (1849), состоящий из трех треугольных в сечении клеточных арочных ребер, «подвешенных» к кованым железным балкам мостового полотна с помощью вертикальных подвесок от арок. Это был тот же год, когда Стивенсон построил Высокий мост с натянутыми фермами в Ньюкасле-апон-Тайне, который, как предполагалось, повлиял на Брунеля в Чепстоу. Однако решение Брунеля заключалось в том, чтобы сделать шаг вперед, опираясь, тем не менее, на прочные инженерные принципы и вариант темы натянутых арок. Эксперименты Уильяма Фэрберна и математический анализ Итона Ходжкинсона показали серией экспериментов, что закрытая коробчатая балка из кованого железа, соединенная заклепками, сочетает в себе относительную легкость с высокой прочностью. Трубчатая кованая железная балка – будь то прямоугольное, треугольное или круглое сечение – являлась наиболее эффективным элементом фермы. При достаточной величине сечения она могла быть самонесущей. Именно эксперименты Фэрберна привели к созданию мостов Менай и Конви. Стивенсон первоначально предлагал использовать секцию коробчатой балки, подвешенную на цепях. Он утверждал, что коробчатая секция будет достаточно жесткой, чтобы преодолеть обычные проблемы мостовых полотен подвесных мостов. В итоге Фэрберн показал, что правильно построенная коробчатая балка будет достаточно прочной, чтобы цепи можно было исключить. Тем не менее, решение (не использовать цепи) было принято поздно в ходе проекта, поэтому опорные башни моста Британия все еще были построены с отверстиями для цепей. Коробчатые балки Стивенсона были большим новшеством, и сегодня конструкция коробчатых балок с использованием стали или предварительно напряженного бетона является стандартом для больших мостов вместо кованого железа. Но, как заметил Берридж, «Брунель никогда не следовал моде ради моды (в Чепстоу). Здесь работал настоящий инженер, проектируя мост с учетом особенностей местности и наилучшего способа его установки». Мост заполнил пробел в основной железнодорожной линии между Глостером и Суонси. Линия между железнодорожной станцией Чепстоу и Суонси была открыта 18 июня 1850 года, а 19 сентября 1851 года линия была завершена между Глостером и станцией к востоку от реки, известной как Чепстоу-Ист. До завершения и открытия моста пассажиры перевозились из одной станции в другую на дилижансе, используя автомобильный мост 1816 года через реку Уай. Железнодорожный мост был открыт для общественного пользования впервые 19 июля 1852 года; станция Чепстоу-Ист была закрыта одновременно с ним как излишняя. Первоначально на мосту была только одна железнодорожная линия; вторая была введена в эксплуатацию 18 апреля 1853 года. Новая железнодорожная линия и мост сократили время в пути между Лондоном и Суонси с 15 часов (по железной дороге, автомобильной дороге и пароме) до 5 часов по железной дороге.

Brunel had to take the two tracks of the South Wales Railway across the River Wye. The Admiralty had insisted on a 300 feet (91 m) clear span over the river, with the bridge a minimum of 50 feet (15 m) above high tide. The span would have to be self supporting, since although the Gloucestershire side of the river consists of a limestone cliff, the Monmouthshire side is low lying sedimentary deposit subject to regular flooding. Thus on that side, there was nowhere for an abutment capable of either resisting the outward push of an arch bridge, or the inward pull of a conventional suspension bridge. In any case, neither could be used: an arch bridge would not have met the height and width restrictions imposed by the Admiralty, and suspension bridges were notoriously unfit for carrying railway trains. The concentrated weight caused the chains to deflect, allowing the bridge deck to ride dangerously up and down. A self supporting truss bridge was the only option. Robert Stephenson had bridged the River Conwy (1848) and the Menai Straits (1850) with spans of 400 and 450 feet (137 m) respectively, using large box girder sections of riveted wrought iron. Conwy like box girders would have been very expensive to use at Chepstow as well as being heavy (problematic, since the spans had to be lifted much higher than at Conwy). Brunel, characteristically, sought a radical solution. He had already built a bowstring or tied arch bridge at Windsor (1849) consisting of three triangular cross section cellular arch ribs "strung" by wrought iron deck girders supported by vertical hangers from the arches. This was the same year as Stephenson's tied arch High Level Bridge at Newcastle upon Tyne, which was supposed to have influenced Brunel at Chepstow. However, Brunel's solution for the latter was to make a leap forward, based, nevertheless, on sound engineering principles and a variation of the tied arch theme. The experiments of William Fairbairn, and the mathematical analysis of Eaton Hodgkinson had shown by a series of experiments that an enclosed box girder, made of riveted wrought iron, combined relative lightness with great strength. The tubular wrought iron girder – be the cross section rectangular, triangular or circular – formed a most efficient truss component. If the cross section was large enough it could be self supporting. It was Fairbairn's experiments that led to the design of the Menai and Conwy bridges. Stephenson had originally proposed using a box girder section suspended from chains. The box section would, he argued, be stiff enough to overcome the conventional problems of the bridge decks of suspension bridges. In the event, Fairbairn showed that a properly constructed box girder would be strong enough so that the chains could be dispensed with. Nevertheless, the decision (not to use chains) was taken late in the project, so the Britannia bridge support towers were still built with holes for the chains. Stephenson's box girders were a great innovation, and using steel or pre stressed concrete instead of wrought iron, box girder construction is the standard today for large bridges. But as Berridge has observed, "Brunel was never one to follow fashion for fashion's sake (at Chepstow) Here was the real engineer at work, designing the bridge to suit the site and the best way of getting it into position". The bridge filled a gap in the main rail line between Gloucester and Swansea. The line between Chepstow railway station and Swansea was opened on 18 June 1850, and on 19 September 1851 the line was completed between Gloucester and a station east of the river, known as Chepstow East. Until the bridge was completed and opened, through passengers were carried from one station to the other by coach, using the 1816 road bridge across the River Wye. The railway bridge was opened to public use for the first time on 19 July 1852; Chepstow East station closed at the same time as redundant. Originally there was only one line of railway over the bridge; a second was brought into use on 18 April 1853. The new railway line, and bridge, had the effect of reducing the journey time between London and Swansea from 15 hours, by rail, road and ferry, to 5 hours by rail.

Конструкция моста Чепстоу

Брунель осознал, что круглая в поперечном сечении трубчатая балка – неглубокая «дуга», превосходная при сжатии и растяжении – может быть закреплена подвесными цепями для создания жесткой, самонесущей конструкции, значительно более легкой (и, следовательно, дешевой), чем коробчатая балка конструкции Стивенсона. Вместо того чтобы подвешивать цепи к башням и подвешивать от них пролет моста, Брунель использовал цепи для создания напряжения и небольшого изгиба в трубах, которые, в свою очередь, опирались на цепи с помощью распорок. Пролет моста был жестким, поскольку фактически прижимался к трубам цепями. Брунель решил проблему по-своему, и более 100 лет мост в Чепстоу, а затем и Королевский Альбертский мост были единственными подвесными мостами на британской железнодорожной сети. Несмотря на соперничество, Брунель и Стивенсон поддерживали друг друга в профессиональном плане. Когда Стивенсон оказался под давлением во время расследования обрушения его чугунного моста через реку Ди, в результате которого погибли люди, Брунель отказался осуждать использование чугунных балок, когда его допрашивали в качестве эксперта. Он также присутствовал, чтобы оказать Стивенсону моральную поддержку, когда огромные коробчатые балки моста Британия были перевезены по реке перед тем, как их подняли на постоянное место. Таким образом, когда речь зашла о революционном проекте в Чепстоу, The Times от 24 февраля 1852 года сообщила, что «г-н Стивенсон, выдающийся инженер, осмотрел (большой железнодорожный) мост (в Чепстоу) и одобрил план, предложенный г-ном Брунелем». Мост стал триумфом применения радикального решения к конкретной проблеме с использованием имеющихся материалов. Общая стоимость (£77 000) составила половину стоимости моста в Конви (£145 190 18s 0d) — хотя основной пролет составлял всего 300 футов (91 м) по сравнению с 400 футами (122 м) у Конви, но для Конви не требовалось глубоководного фундамента, а в Чепстоу стоимость включала дополнительные 300 футов (91 м) наземных пролетов. В Illustrated London News отмечалось, что «особенности местности не позволяли проявлять ‘искусство’ – то есть архитектурные украшения; на самом деле, истинный вкус отвергает любые попытки украшать крупное механическое сооружение фальшивыми колоннами, пилястрами и мелкими декоративными деталями». Компания Mabey покинула стройплощадку в 2015 году, и по состоянию на 2020 год она перестраивается под жилье.

Brunel recognised that a circular cross section tubular girder – a shallow "bow", excellent in compression and tension – could be strung by suspension chains to form a stiff, self supporting structure very much lighter (thus less expensive) than a Stephenson type box girder. Instead of hanging the chains from towers and suspending the bridge deck from them, Brunel used the chains to stress and slightly bow the tubes, which were braced against the chains using struts. The bridge deck was rigid, because it was effectively clamped against the tubes by the chains. Brunel solved the problem in his own way, and for more than 100 years, the Chepstow and subsequently the Royal Albert Bridge were the only suspension bridges on the British railway system. Though rivals, Brunel and Stephenson supported one another professionally. When Stephenson was under pressure during the enquiry following the collapse of his cast iron girder bridge over the River Dee, which resulted in several deaths, Brunel refused to condemn the use of cast iron girders when cross examined as an expert witness. He was also present to provide Stephenson moral support when the great Britannia box girders were floated across the river prior to being jacked up to their final positions. So when it came to the revolutionary design at Chepstow, The Times of 24 February 1852, reported that “Mr Stephenson, the eminent engineer, has examined the (great railway) bridge (at Chepstow) and concurred in the plan adopted by Mr Brunel ”. The bridge was a triumph of the application of a radical design to a specific problem using available materials. The total cost (£77,000) was half what the Conwy bridge cost (£145,190 18s 0d) — admittedly with a main span of only 300 feet (91 m) compared with Conwy's 400 feet (122 m), but there were no deep water foundations needed at Conwy, and at Chepstow, the cost included a further 300 feet (91 m) of land spans. With regard to the appearance of the bridge, the Illustrated London News stated that "the peculiarity of the site did not permit any display of 'Art' – that is, of architectural embellishment; indeed, a pure taste rejects any attempt to decorate a large mechanical work with sham columns, pilasters, and small ornamental details." Mabey left the site in 2015, and as at 2020 it is being redeveloped for housing.

Наследие

Однако даже Брунель не был непогрешим, и его дальновидность, заключавшаяся в допущении небольшого движения подвесных цепей относительно опор на мостовом полотне для снятия напряжения, привела к ослаблению конструкции. В 1950-х годах скорость движения поездов по мосту была ограничена до , поскольку некоторые балки деформировались. В 1962 году под главный пролёт была установлена новая опорная конструкция. Из упомянутых здесь мостов, мосты Виндзор и Конви до сих пор стоят и используются, хотя пролёты Конви были укорочены за счёт промежуточных опор; мост Британия пришлось заменить в 1970 году после пожара. Тем не менее, чепстовский мост Брунеля стал переломным моментом, приведшим к окончательной доработке конструкции в его величайшем шедевре – мосту Короля Альберта через реку Тамар в Салташе, который продолжает использоваться для движения бывшей основной линии Корнуоллской железной дороги в Корнуолл.