Тейский железнодорожный мост: история и конструкция.

Введение

Железнодорожный мост через реку Тей, Шотландия
железнодорожный мост

Мост Тей (Drochaid rèile na Tatha) обеспечивает железнодорожное сообщение через Ферт-оф-Тей в Шотландии между Данди и пригородом Вормит в Файфе. Его пролет составляет 4,4 километра. Это второй мост, построенный на этом месте. Планы по строительству моста через Тей для замены железнодорожной паромной переправы появились в 1854 году, но первый мост Тей был открыт только в 1878 году. Это была легкая решетчатая конструкция относительно низкой стоимости с одним железнодорожным путем. 28 декабря 1879 года мост внезапно рухнул во время сильного ветра, когда по нему проходил поезд, что привело к гибели всех находившихся на борту. Это происшествие – одна из самых серьезных инженерных катастроф, связанных с мостами, в истории. Расследование установило, что конструкция моста была недостаточно прочной, чтобы выдерживать сильные ветры. Он был заменен вторым мостом, построенным из железа и стали, с двумя железнодорожными путями, параллельно остаткам первого моста. Работы начались 6 июля 1883 года, а мост был открыт в 1887 году. Новый мост подвергся всесторонним испытаниям со стороны Торговой палаты, по результатам которых был составлен положительный отчет. В 2003 году мост был усилен и отреставрирован, получив награду Британской строительной индустрии за масштаб и сложность проекта.

Детали конструкции

Инженерные детали моста Тей были значительно проще, легче и дешевле, чем у более ранних виадуков. Обработанное основание каждого секционного элемента колонны надежно стыковалось с обработанным расширенным участком верхней части предыдущего элемента. Соединение затем фиксировалось болтами через соответствующие отверстия в ушах (Крамлин). Нижнее соединение осуществлялось посредством двух опорных пластин, прикрепленных болтами к основанию соответствующего элемента на соседней колонне. Все стержни и опорные пластины имели соответствующие продольные пазы. Связывающий стержень помещался между опорными пластинами, при совмещении и перекрытии всех трех пазов. Затем через все три паза вбивался и фиксировался штифт. Два металлических клина затем устанавливались для заполнения оставшегося перекрытия пазов и плотно вбивались, чтобы создать натяжение в связывающем стержне. Горизонтальное связывание обеспечивалось швеллером из кованого железа. Головки болтов были расположены слишком близко друг к другу и к колонне для удобного затягивания гаечными ключами; это, в сочетании с недостаточной точностью при изготовлении швеллерных распорок, приводило к различным импровизированным решениям на месте (один из них был описан свидетелем расследования как "наиболее небрежная работа, которую я когда-либо видел в своей жизни"). Однако на виадуках Крамлин и Белах горизонтальное связывание обеспечивалось массивными отлитыми чугунными балками, надежно прикрепленными к колоннам, к которым затем крепились диагональные распорки. Председатель следственной комиссии долго цитировал современную книгу, в которой высоко оценивалась детальная инженерная проработка опор виадука Белах и описывался виадук как один из самых легких и дешевых подобных сооружений, когда-либо возведенных. Отличительной особенностью этого виадука является то, что поперечные или продольные балки опор окружают колонны, которые в этой точке расширены, а балки просверлены с высокой точностью для соответствия расширенной части. В конструкции не использовался цемент какого-либо рода, и после завершения опор и натяжения вертикальных и горизонтальных кованых железных связей, конструкция была почти такой же жесткой, как цельный кусок. Все работы по сборке выполнялись на станках, специально разработанных для этой цели, и завершались с математической точностью. Фланцы колонн были тщательно обработаны, а их края проточены, и каждая колонна вставлялась в предыдущую с выступом глубиной около 5/8 дюйма, причем выступ и соответствующее углубление были проточены и просверлены. Часть колонны, на которую опирались поперечные балки, также была проточена. Все эти операции выполнялись одновременно, при центрировании колонны в расточном станке с полым шпинделем. После проточки колонны направлялись на сверлильный станок, где все отверстия во фланцах просверливались одновременно из цельного материала. И поскольку это делалось на одном и том же станке для всех колонн, отверстия идеально совпадали при установке колонн друг на друга в процессе возведения. Аналогичная тщательность была проявлена и при изготовлении поперечных балок, концы которых растачивались на станках, разработанных для этой цели. Таким образом, при сборке элементов виадука на месте возведения не требовалось практически никакого инструмента, и не было необходимости в обтесывании или подгонке, чтобы замедлить ход работ. Председатель заключил, что либо виадук Белах был чрезмерно спроектирован, либо мост Тей был спроектирован недостаточно прочно.

The engineering details on the Tay Bridge were considerably simpler, lighter, and cheaper than on the earlier viaducts. The machined base of each column section docked securely into a machined enlarged section of the top of the section below. The joint was then secured by bolts through matching holes on lugs (Crumlin The bottom connection was to two sling plates bolted to the base of the equivalent section on an adjacent column. The bar and sling plates all had matching longitudinal slots in them. The tie bar was placed between the sling plates with all three slots aligned and overlapping. A gib was driven through all three slots and secured. Two cotters, metal wedges, were then positioned to fill the rest of the slot overlap, and driven in hard to put the tie under tension. Horizontal bracing was provided by wrought iron channel iron. The various bolt heads were too close to each other, and to the column for easy tightening up with spanners; this coupled with lack of precision in the preparation of the channel iron braces led to various on site fitting expedients (one of them described by a witness to the enquiry as "about as slovenly a piece of work as ever I saw in my life". On the Crumlin and Belah Viaducts, however, horizontal bracing was provided by substantial fitted cast iron girders securely attached to the columns, with the diagonal braces then being attached to the girders. The Chairman of the Court of Inquiry quoted at length from a contemporary book praising the detailed engineering of the Belah viaduct piers, and describing the viaduct as one of the lightest and cheapest of the kind that had ever been erected. It is a distinguishing feature in this viaduct that the cross, or distance girders of the piers encircle the columns, which are turned up at that point, the girders being bored out to fit the turned part with great accuracy. No cement of any kind was used in the whole structure, and the piers when completed, and the vertical and horizontal wrought iron bracings keyed up, are nearly as rigid as though they were one solid piece The fitting was all done by machines, which were specially designed for the purpose, and finished the work with mathematical accuracy The flanges of the column were all faced up and their edges turned, and every column was stepped into the one below it with a lip of about 5/8 of an inch in depth, the lip and socket for it being actually turned and bored. That portion of the column against which the cross girders rested was also turned. The whole of these operations were performed at one time, the column being centred in a hollow mandril lathe. After being turned the columns passed on to a drilling machine, in which all the holes in each flange were drilled out of the solid simultaneously. And as this was done with them all in the same machine, the holes of course, perfectly coincided when the columns were placed one on the other in the progress of erection. Similar care was taken with the cross girders, which were bored out at the ends by machines designed for that purpose. Thus, when the pieces of the viaduct had to be put together at the place of erection there was literally not a tool required, and neither chipping or filing to retard the progress of the work. Either, said the chairman, the Belah viaduct had been over engineered, or the Tay Bridge had been under engineered.

Строительство

Пока Бух пересматривал свой проект, компания, которой был заключен контракт на строительство моста, Messrs De Bergue из Кардиффа, обанкротилась. В июне 1874 года новый контракт на работы был выдан компании Hopkin Gilkes and Company, преемникам компании из Мидлсбро, которая ранее поставляла металлоконструкции для виадука Белах. Изначально Гилкс планировал производить все мостовые элементы на Тиссиде, но в итоге продолжил использовать литейный завод в Вормите для изготовления чугунных деталей и выполнения ограниченных операций по механической обработке после литья. Изменение проекта повлекло за собой увеличение стоимости и задержку, которая усугубилась после падения двух высоких балок во время их подъема на место в ночь на пятницу, 3 февраля 1877 года.
Попавшие балки пришлось демонтировать и строить новые, а опоры – возводить заново; это серьезно угрожало планам завершить мост к сентябрю и открыть его для движения поездов. До завершения строительства и установки шести пролетов, а также подъема десяти 75-метровых пролетов оставалось всего восемь месяцев. Пять и семь из 44-метровых пролетов также должны были пройти аналогичный процесс. Еще предстояло построить семь больших и три малых опоры. Общий вес железа, который необходимо было установить, был огромен, и казалось невероятным выполнить весь объем работ за восемь месяцев. Многое зависело от погоды, которая была крайне неблагоприятной. Генерал-майор Хатчинсон из Инспекции железных дорог измерил прогиб 75-метровых балок моста под распределенной нагрузкой 1,5 тонны на фут (5 т/м), создаваемой тяжелыми локомотивами, движущимися со скоростью до определенного значения, и установил, что он меньше расчетного. Он доложил, что "эти результаты, на мой взгляд, следует считать удовлетворительными. Боковые колебания [приблизительно, ритмичные движения из стороны в сторону], зафиксированные теодолитом во время движения поездов на скорости, были незначительными, а конструкция в целом продемонстрировала высокую жесткость". Хатчинсон потребовал проведения некоторых незначительных ремонтных работ, а также выпустил "рекомендацию" об установлении ограничения скорости для движения транспорта по мосту. Впоследствии Хатчинсон объяснил на слушаниях, что предложил это ограничение скорости из-за небольшого сужения опор. В отчете об инспекции было добавлено: "При повторном посещении этого места я хотел бы, по возможности, понаблюдать за воздействием сильного ветра на мост во время движения по нему пассажирских вагонов". 1 июня 1878 года мост был открыт для пассажирского движения, а официальная церемония открытия состоялась накануне, в ходе которой Томасу Буху было присвоено звание почетного гражданина Данди "в знак признания его заслуг как инженера моста". 20 июня 1879 года королева Виктория пересекла мост во время своего возвращения из Балморала; Бух был представлен ей перед этим. 26 июня 1879 года королева посвятила его в рыцари в Виндзорском замке.

Whilst Bouch was in the process of revising his design, the company which had been awarded the contract for the bridge's construction, Messrs De Bergue of Cardiff, went out of business. During June 1874, a replacement contract for the work was issued to Hopkin Gilkes and Company, successors to the Middlesbrough company which had previously provided the ironwork for the Belah viaduct. Gilkes had originally intended to produce all the bridge ironwork on Teesside, but in the event continued to use a foundry at Wormit to produce the cast iron components, and to carry out limited post casting machining operations. The change in design increased cost and necessitated delay, intensified after two of the high girders fell when being lifted into place during the night of Friday, 3 February 1877. <blockquote>The fallen girders had to be removed and new ones built. and the piers to be erected again; and this threatened seriously to interfere with the expectation of having the bridge finished for the passage of a train by September. Only eight months were now available for the erection and floating out of six, and the lifting of ten 245 feet (75 m) spans. Five and seven respectively of the 145 feet (44 m) spans had yet to go through the same process. Seven large and three small piers had yet to be built. The weight of iron which had to be put in its place was , and it seemed incredible that all this could be done in eight months. A good deal would depend on the weather but this was far from favourable. by Major General Hutchinson of the Railway Inspectorate, who measured the deflection of the 245 feet (75 m) bridge girders under a distributed load of 1.5 tons per foot (5 t/m) due to heavy locomotives, travelling at up to , as less than He reported that "these results are in my opinion to be regarded as satisfactory. The lateral oscillation [roughly, rhythmic side to side movement], as observed by the theodolite when the engines ran over at speed, was slight and the structure overall showed great stiffness". Hutchinson did require some minor remedial work to be performed, and also issued a "recommendation" to impose a speed limit on traffic passing over the bridge. Subsequently, Hutchinson explained to the Inquiry that he had suggested this speed limit because of the minimal taper on the piers. The inspection report added: "When again visiting the spot I should wish, if possible, to have an opportunity of observing the effects of high wind when a train of carriages is running over the bridge". On 1 June 1878, the Tay Bridge was opened for passenger traffic, with formal opening ceremonies having taken place during the previous day, in the course of which Thomas Bouch was made a burgess of Dundee "in respect of his meritorious services as engineer of the bridge. " On 20 June 1879, Queen Victoria crossed the bridge during her return south from staying at Balmoral; Bouch was presented to her before she did so. On 26 June 1879, he was knighted by the Queen at Windsor Castle.

Катастрофическая неисправность

В ночь на 28 декабря 1879 года в 7:15 вечера мост рухнул, когда его центральные пролёты не выдержали сильного зимнего шторма. Поезд с шестью вагонами, перевозивший семьдесят пять пассажиров и членов экипажа, следовавший по мосту в момент обрушения, упал в ледяные воды реки Тей. Все семьдесят пять человек на борту погибли. Эта катастрофа потрясла всю страну и вызвала шок в инженерном сообществе викторианской эпохи. Последующее расследование выявило, что конструкция моста не учитывала воздействие сильных ветров. В момент обрушения по устью реки Тей, под прямым углом к мосту, бушевал шторм силой 10 или 11 баллов (эквивалентный тропическому шторму). Паровоз (Северная британская железная дорога № 224) был поднят со дна реки и впоследствии восстановлен для дальнейшей службы. Обрушение моста, несмотря на то, что он был открыт всего девятнадцать месяцев назад и признан безопасным Торговой палатой, оказало долгосрочное влияние на общество. По мнению некоторых, это до сих пор считается самой известной и трагической катастрофой на мосту в истории Британских островов. Память о катастрофе увековечена в поэме «Крушение моста Тей» – одном из самых известных стихотворений Уильяма Макгонагалла. Сегодня даже во время прилива над поверхностью реки Тей видны остатки опор оригинального моста. В 2005 году шотландский драматург Майк Гибб и композитор Майри Патон представили свой мюзикл «Five Pound and Twa Bairns» в Данди. В центре сюжета – три вымышленные женщины из разных социальных слоёв, потерявшие своих близких в этой катастрофе. Мюзикл был поставлен несколько раз, включая три аншлага в Dundee Rep Theatre.

Предложения

Почти сразу после разрушения моста Тей, компания Северной Британской железной дороги начала разрабатывать планы по его реконструкции или замене. Планы реконструкции моста были представлены инженером-строителем сэром Джеймсом Бранлисом. Оценочная стоимость второго моста в 1884 году составляла £640 000, что эквивалентно приблизительно <расчетной сумме> в последние годы; хотя эта цифра и была превышена, она не оказалась чрезмерно оптимистичной. При разбивке строительных работ на составляющие, было подсчитано, что возведение опор стоило £282 000, установка балок и парапетов – £268 000, а на обустройство подходов и арок было затрачено £90 000. Второй мост Тей используется до настоящего времени. Для защиты конструкции от повреждений, ограничено использование двойной тяги локомотивов на поездах, пересекающих мост; установлено, что некоторые комбинации последовательных локомотивов должны быть разделены минимум на 60 футов (18 м) с помощью защитных или промежуточных вагонов. В 2003 году проект по усилению и реконструкции моста стоимостью £20,85 млн получил награду Британской строительной индустрии в области гражданского строительства, учитывая его колоссальный масштаб и сложную логистику. Более чем 200 тонн птичьего помета было удалено с железной решетки моста вручную и упаковано в мешки. Одновременно сотни тысяч заклепок были демонтированы и заменены, и все это выполнялось рабочими в сложных погодных условиях на большой высоте над проливом с сильными течениями.