伊兹 一生一桥：詹姆斯·布坎南·伊兹

19世纪，美国有一位杰出的工程师——詹姆斯·布坎南·Eads，他主持了世界上第一座主要由钢结构组成的桥梁——Eads桥的设计和建造。

詹姆斯·伊兹(James Izz)于1820年5月23日出生于美国印第安纳州劳伦斯基堡(Fort Laurenszky)，1887年3月8日死于巴哈马拿骚。小时候，父亲生意失败，家里很惨。13岁时，他离开学校，开始工作帮助养家。幸运的是，当他在威廉姆斯都灵干货商店当杂工时，他认识了老板，巴雷特·威廉姆斯先生。威廉姆斯允许Izzie下班后在商店附近的图书馆看书。在这段时间里，Izzie利用业余时间阅读了一些关于物理科学、力学、机械和土木工程的书籍。Izzie的生活是勇敢而坚定的，他通过这种个性来实现他尽可能多地学习他所涉及的所有学科的愿望。作为一名工程师，他从未在正规学校学习过。然而，无论他走到哪里，他都努力增加知识，阅读他能找到的每一本书。

天才少年

Izzie在中西部长大，13岁来到圣路易斯。18岁时，他在熙熙攘攘的内河航运业找到了第一份工作。22岁时，他发明了一种打捞船，可以潜入河中深处找回丢失的物品，并在这方面获得了声誉。他在救援工作中使用的重要机械设备方面很有天赋。在美国内战期间，这种天赋得到了极大的发挥空。他向联邦政府提出建造一艘蒸汽动力装甲战舰在河上航行，最终取得了重要胜利。正因为如此，战争结束后，伊茨被选中指导一个难度系数很大的项目，就是在圣路易斯修建一座横跨密西西比河的大桥。

当时圣路易斯不得不和芝加哥在经贸上竞争，但是因为没有火车穿越密西西比河，火车没有经过圣路易斯，所以经贸发展不起来。

内战结束后，圣路易斯希望在经济和贸易发展方面取得突破。1866年，政府率先提议在圣路易斯建造一座横跨密西西比河的桥梁。圣路易斯横渡密西西比河的方案已经有四个，分别是悬索桥、抛物线拱组合悬索桥、管道桥和桁架桥，最终因为各种原因被否决。经验丰富的桥梁工程师犹豫不决，但詹姆斯·伊兹(James Izzie)从未建桥，但他站了起来。他知道如何组织和动员人们，以及如何铸造和加工钢铁。此外，少年时的工作经历让他对河流比其他人更熟悉。

无畏的创新

1867年7月，Izz提出了自己的设计方案:主桥为三跨钢拱，跨度分别为153米、158.5米和153米。Izz出于一丝不苟的美感，将中跨设计得比两端跨略长。拱肋横截面为管状，为无铰拱型。即使在今天，内力分析和结构校正的困难仍然令人生畏。

1867年8月开始施工，次年2月在密苏里西桥台举行奠基仪式。Izz亲自将基石安放到位，在掌声中宣布大桥正式开工。

然而，这个项目并不总是顺利的。首先，由于大桥涉及到密西西比河上一些伊利诺伊集团和轮渡公司的利益，这些利益集团成立了伊利诺伊-圣路易斯大桥公司，质疑圣路易斯公司建桥的权利，并以攻击性挑战伊兹的结构计划。他们召集了一些工程师在圣路易斯举办了一个关于在密西西比河上建造桥梁的“研讨会”。会上，Izz的跨度超过150米的计划遭到批评，但没有指名道姓。他们在决议中写道:“作为实用工程师，我们不能向有关部门认真推荐建设150米以上的大跨度。项目本身不需要承担这种缺乏先例的风险。”同时，在宣传过程中，他们极力动摇群众的信心，夸大Izz遇到的一些困难，然后大肆宣传，使群众对大桥的建设前景产生怀疑。他们在报纸上把这座桥描述为“700万年，700万美元”。

当这座桥开始在伊利诺伊海岸建造时，伊利诺伊公司诉诸法律来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，否则会陷入无休止的诉讼。1868年3月，两家公司宣布合并。新的董事会任命詹姆斯·伊兹(James Izz)为总工程师，并批准了他的结构计划。到那时，这座桥的建设已经因为这场争端推迟了近一年，造成了数十万美元的损失。

为了恢复公众对这座桥的信心，公司要求总工程师发表一份关于这座桥的设计报告，Izz于1868年5月发表了他的第一份报告。文章叙述精辟，分析细致，刀枪不入，堪称工程论文的典范。而且文字优美，值得每个对项目感兴趣的人阅读。

当谈到在基岩上建造桥墩时，伊茨写道，“洪水期间，我有机会检查了密西西比河的底部。在20米的深度，河底是一个至少3英尺深的移动物体。我能感觉到沙子以接近水面的速度从我的手指间流过。我坚信，如果桥墩不直接设置在基岩上，就没有安全可言。在这一点上，我比任何其他问题都更确信我是对的。”

面对跨度超过150米的挑战和指责，Izz写道:“桥梁的跨度与工程先例无关。人们往往会考虑成本问题，要解决的问题是什么跨度最经济实用价值。L.Wernwag最早在费城建造了一座100米跨度的木制拱桥，但现在他认为用比铸铁强8倍的材料建造一座150米跨度的拱桥是不现实的，这是荒谬的，不值得反驳。即使没有工程先例，当我们的知识和判断证明这是一个可行的项目时，我们是否认为仅仅因为过去没有做过就永远不会实现？按照这种浅薄的推理，大西洋海底电缆无法铺设，梅奈海峡无法穿越，可怕的漩涡礁上也不会有灯塔来警告夜间航行的船只。”(Izzie提到的几个项目都是新完成项目的杰作，属于人类的辉煌成就。这份报告引起了工程界和银行界的极大兴趣和充分讨论，使得对他的最初批评平息了下来。这时，Izzie也开始全力以赴应对实际项目中的困难。

为了恢复公众对这座桥的信心，Izz在他的报告中承诺，这座桥的每个部件都要经过各种机械测试，才能用于这座桥的建设。

穿越密西西比河

不幸的是，Izzie自己在解决了工作问题后，染上了一种严重而痛苦的呼吸道疾病。医生让他休息一下，他向公司递交了辞呈。公司拒绝接受他的辞职，让他去欧洲彻底休息。在此期间，他并没有完全放下项目。他曾返回纽约与银行和铁路公司谈判一个月，但他不得不返回欧洲疗养。这座桥的建设被迫中断了几个月。时任第一助理总工程师的Ferad上校说:“没有Izz，整个公司的活力似乎都要熄灭了。”

虽然Izz没有直接造桥的经验，但是他的两个工程助手亨利·弗拉德(1824-1898)和查尔斯·费弗尔(1843-1883)可以弥补这个缺陷。弗拉德毕业于慕尼黑理工学院，并于1896年成为美国土木工程师学会主席。他发明了悬臂施工法，就是用缆索从上面固定拱架，很像埃菲尔几年后在独罗桥上使用的方法。

项目的进展有很多困难，但Izz的欧洲之行为桥梁的成功和美国基础施工方法的发展带来了好处。Izz原计划采用围堰法修建桥台和桥墩，即在墩位周围铺设板桩形成围堰，然后将围堰内的水抽出，在河底施工。实际上，该桥的西桥台是用围堰法建造的。但在施工过程中，发现河底沉船杂物过多，造成板桩下压困难，围堰不漏水。虽然西桥台历经千辛万苦才建成，但仍有两个桥墩要建，即东桥台和河中。1869年，伊茨参观了法国维希的一个建筑工地，在那里新发明的气压沉箱被用来建造桥墩。参观结束后，他决定用气压沉箱法建造圣路易斯大桥的其余三个桥墩。

1869年4月，伊兹回到圣路易斯，开始了东码头的沉箱施工。准备工作非常繁重。除建造沉箱外，多艘船应配备气泵，并储存备用的砖石、水泥和木材。6月份，有1000人工作；到9月份，这个数字已经增加到1500人。10月份，沉箱下水，在一次简单的奠基仪式上，将东桥墩的基石安放到位。在接下来的五个月里，随着桥墩铺设在沉箱上，沉箱一天天沉入水中，渗入砂层，直至到达基岩。由于精心充分的准备工作和完整的备用设备，项目顺利进行，没有出现阻塞。Izz几乎每天都去参观沉箱，Ferad上校和另外两名助手全天轮流值班，确保工程按计划进行。

为了清除沉箱中的淤泥，Izz设计了一种“泥浆泵”，利用高压水流冲洗出沙子和淤泥。一个沉箱需要四个这样的泥浆泵。Izz设计的泥浆泵，不仅能泵出淤泥，还能泵出直径两三英尺的鹅卵石。沉箱中的架子上留有太大的石头，以便以后沉箱填充混凝土时用作埋石。

随着沉箱的下沉，在沉箱顶部建造桥墩的人有一种奇怪的失重感。到了12月，由于天气原因，桥墩冻了好几天，所有与岸边的交通都被切断了。好在前期的准备工作预见到了这种可能，准备了足够两个星期的物资和足够的毛毯早早的堆放在码头，让施工可以持续进行。项目进度写在大黑板上，让Izzie在岸上用望远镜往外看，了解实时情况。几天后，交通恢复，Izzie回来替换这些人。次年1月又发生了这种情况。

沉箱内照明是另一个难题。当时没有电灯，油灯在高压空气体中放出的黑烟是无法忍受的，只需要点蜡烛。但在高压空气体中，蜡烛不仅消耗快，而且难以熄灭。这也给施工带来了很多不便，也出现过工人因衣服着火被严重烧伤的案例。当沉箱下沉到20米时，沉箱内安装了一个电报，可以直接与水面指挥船和城市总工办公室通信。

1870年2月28日，是基础工程的代表日，一声汽笛响起，通知圣路易斯的居民，东码头已经到达基岩。

在当时缺乏经验的时代，肆虐的沉箱病成了工程中最可怕的一环。东桥墩开工时，除了耳膜受压迫外，高气压对人体的生理作用是未知的。早期沉箱施工，工人可以在两三个大气压下工作而不受伤，所以误以为可以在四五个大气压下正常工作。当沉箱下降到21米时，工人离开沉箱后爬楼梯非常困难。当沉箱下降到23米时，下肢瘫痪的情况开始频繁发生，严重者必须到医院就医。当沉箱到达基岩深度28.3米时，沉箱中的压力达到4个大气压。虽然减少和调整了工作班次和沉箱中每班的时间，但工人的生理反应继续恶化。1870年3月，一名工人离开沉箱15分钟，突然倒在地上，死于中风。同一天，又有一个人在医院去世，接下来的几天又有三个人相继去世。

Izzie邀请她的家庭医生去工地做健康顾问。医生进入沉箱观察环境，也在死亡线上经历了痛苦的挣扎。幸运的是，几天后他康复了。之后对工人做了一系列作息要求，沉箱病逐渐好转。之后，虽然西桥墩沉箱深度较浅，经历了东桥墩的惨痛经历，但Izz对西桥台沉箱施工进行了多项改进措施。最重要的是在桥台井内安装电梯，将沉箱内的工人送到顶部，而不是来回爬190级楼梯，并设置休息室，为每个人提供被褥毯子和茶水饭菜，以保证工人得到足够的休息和正常的作息。最终，可怕的沉箱病得到了有效控制。

之后因为桥梁合拢时净空太小，用了60吨的冰块将拱肋围起来，由于寒冷而缩短。最后，采用螺纹套管解决了封闭问题。最初的桥面是在1947年更新的，当时使用轻质混凝土来减少恒载。圣路易斯大桥上的铁路运输流量从未达到预期量。如今桥梁不再承担铁路运输任务，依然完好无损。

开启大跨度钢拱桥时代

Izz对桥梁上部钢结构提出的质量标准和技术规定非常严格，出于对公众的承诺，每个部件都必须经受远远大于设计应力的测试。由于承包商不习惯如此高的标准，许多部件在初始阶段因不符合要求而报废。但Izz并没有在标准和法规的要求上做出任何妥协，而是亲自为匹兹堡的签约工厂寻求解决方案。随着铁的价格上涨，承包商有赔钱的危险。尽管如此，在伊西的坚持下，工厂尽最大努力满足他的要求，产品的合格率在多次失败后逐渐提高。但是原设计中拱肋铸钢套筒的连接点一直无法克服，Izz最后不得不用熟铁来铸造这个连接点。这阻止了圣路易斯大桥成为第一座全钢桥。

Izz提出的质量和技术法规，使得圣路易斯大桥的建设水平远远高于以往的桥梁，并作为未来桥梁建设的标准，在全世界都产生了影响。1873年10月，《工程》杂志将圣路易斯大桥描述为最先进的范例项目:“在这个项目中，理论家和实践者的结合得到了完美的体现。最新的理论用于分析计算，在材料的制作和加工上竭尽全力，结合建造者的大智慧，促成了这个前所未有的工程。这里终于实现了理论与实践的融合。”

1874年4月，桥梁上部路面竣工；6月，下层铁路铺砌贯通。到那时，这座桥将最终建成。7月2日，该桥进行了公开测试和验收。由七辆重型机车组成的两个车队各自平行过桥。台湾海峡两岸人来人往，让人感觉“千钧一发”。1874年7月4日，美国国庆节，这座桥正式通车。

大桥建成后，开启了大跨度钢拱桥的新时代。美国放弃了铸铁和锻铁拱，肯定了精确的数学计算、材料检验技术、悬臂安装方法和合拢技术。该桥的新概念、新工艺和新设备已在钢桥上使用了40年。

圣路易斯大桥的建成使圣路易斯成为当时美国中部的铁路枢纽，对圣路易斯的发展和美国西部的发展起到了不可估量的作用。对于美国西部来说，圣路易斯大桥是土木工程成就的象征，堪比东部的布鲁克林大桥。由于Izzie的杰出成就，他在1920年被选入“美国名人堂”，他也是第一位获得这一荣誉的工程师。

詹姆斯·伊茨在此之前和之后从未设计过第二座桥。Izz为圣路易斯设计了这座独一无二的大桥，而Roblin和Eiffel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Izzie的设计不是特别出名的话，主要原因是他的城市作为一个重要的世界城市是次等的。但大桥建成时，圣路易斯将其视为复兴“圣路易斯未来大城市”的象征。虽然这座桥的官方名称是圣路易斯桥，但圣路易斯市民仍然称它为“Eads桥”。

来源

1.王应良·高宗主编的《欧美桥梁设计思想》

2.通往大海之路:詹姆斯·b·伊德斯和密西西比河的故事。

作者弗洛伦斯·多尔西。等待

这篇文章发表在《桥梁》杂志上

89号，2019年第3期

本报记者/周洋