美丽的福斯铁路桥
提到英国苏格兰你会想起什么？可能有一些人会想到苏格兰的高地美景，悠扬的风笛，男人的花格子裙，流传世界的威士忌酒，还会想起尼斯湖水怪。没错，这都是苏格兰的文化标签。不过，用更为专业的眼光来看苏格兰，还有很多东西值得大家去探究与借鉴，就像福斯铁路桥、一座古老而富有创意的桥梁一样，值得我们很多工程技术人员去了解与学习。
福斯铁路桥（Forth Railway Bridge 1890）位于英国苏格兰爱丁堡西边，是跨越福斯湾海峡上的第一座桥梁，距今已经有118年的历史了。桥梁施工历时七年，中间更换了设计工程师，修改了设计方案。七年中，施工动用了四千多名工人，高空施工中牺牲了98人，并造成了数百名人员伤残。为了纪念这些为英国桥梁事业做出贡献的蓝领工人，后人在桥址处修建了纪念馆。1890年3月4日大桥建成，威尔斯七世国王将一枚金铆钉钉在桥上，宣告大桥竣工通车。
桥梁设计者是Thomas Bouch，这是一位最伟大的桥梁设计工程师。不过，在桥梁施工过程中另一座也是由Thomas Bouch设计的苏格兰海湾大桥Tay Railway Birdge在一次飓风风暴中土崩瓦解了，桥梁坍塌时正巧有一列列车通过，75名乘客因此而丢掉了性命，这一事件成为当时英国历史上最为严重桥梁事故。因此，Tay Railway Bridge的安全储备及Thomas Bouch设计能力遭到公众的质疑，故福斯铁路桥在基础施工完成后工程被管理当局中止。
Thomas Bouch去死后，福斯铁路桥的设计工作由约John Fowler和Benjamin Baker共同负责。他们对原来的设计进行了修改，没有采用Thmas Bouch的悬索桥方案，而是用一种“纺锤型”或称“橄榄型”的钢式结构取而代之，这就是世人今天所看到的福斯铁路桥。其主跨521.30米，桥梁总长2528.70米，桥下净空高度46.00米。按照上下行布置了双幅轨道。
今天看来原悬索桥型的福斯铁路桥并不是不可行，只是有一些生不逢时。一百多年前的Tay Railway Birdge的坍塌其根本原因就是没有解决好风荷载的问题，也就是风洞试验没有过关，或许当时根本就没有认识到这个问题，也不可能有风洞试验的试验室。正是因为当时技术条件的限制，所以才酿成了Tay Railway Birdge的坍塌，修改福斯铁路桥的方案也成了情理之中的事情了。今天，我们在设计桥梁时尤其是在设计大江大河的桥梁时，对那些跨越能力很大的桥梁，特别注重风洞试验，除主梁风荷载外，还考虑了雪荷载，风震及地震作用。
福斯湾上游连接福斯河。福斯河是英国苏格兰地区的主要河流之一。它发源于史特灵郡的山区，东流约三十公里后经过史特灵市区，继续向东至法夫郡金卡丁镇（Kincardine）后，形成福斯湾（Firth of Forth），最后注入北海。
福斯湾南岸是苏格兰首府爱丁堡，福斯河流域也是苏格兰重要的人口聚居区。共有三座大桥跨河湾，分别是金卡丁桥、福斯公路桥和福斯铁路桥，它们组成了苏格兰东侧交通枢纽。
有趣的是，在福斯铁路桥建成后7年，晚清军政重臣李鸿章出使英国，在参观这座桥后，也想在中国的渤海湾建造一座类似的桥梁。后来听说，在建武汉长江大桥时，铁路工程专家詹天佑在当粤汉铁路督办时，参照福斯铁路桥的构思提出了武汉长江大桥的方案。
更为八卦的是，希区柯克的一部电影《三十九级台阶》中的最惊险的场景就选在福斯铁路桥上。火车经过桥梁时男主角Hannay为甩掉警察的追捕，纵身跳下了火车……
1882年开始建造的福斯铁路桥是被后人公认的桥梁史上的里程碑之一。它是一座由众多钢管弦杆构件组成的双伸臂梁铁路桥，这种结构形式有一些类似于上个世纪七八十年代中国大陆设计的T型刚构桥。主通航孔桥由三个钢“纺锤型”桁架、两个钢桁架挂梁组成，这种用类似于搭积木方式延长悬臂从而达到增大跨越能力的桥，即使在今天也不得不令人钦佩。
加固后的福斯铁路桥。图中白色的位置就是几年前加固维修的部分杆件。
就在几年前，桥梁英国的养护部门对结构进行了检测，主要承重结构仍然完好。只是对部分杆件和接头处进行了维修加固，见上图。
细细观察，发现福斯铁路桥有以下技术特点。
1、用“纺锤型”桁架延伸桥梁悬臂，达到增大跨月能力。三个“纺锤型”桁架就像三个挑水农夫并列一排，用三个扁担延长跨度、平衡重量。
2、“纺锤型”桁架属于“二力杆”，设计者将拉杆与压杆区别对待。考虑受力的需要，每个拉杆均有四个小钢管组成空心的构件；而每个压杆则由一大直径钢管组成。这种针对受力特点采取区别对待的设计很新颖。
3、拉压杆交叉点自由相交。为了杆件受力清晰简单，拉压杆件在中途交叉处采用了自由相交而不是刚性联结，这样更符合结构力学中的二力杆受力特性，能更好地适应温度变化所产生的此内力，也大大地简化了手工计算的复杂程度-因为那个是时候没有电子计算，也不可能用到大型空间有限元法（Finite Element Method）来计算分析与仿真。不过，这样也会致使桥梁的整体刚度下降，变形增大，这对桥梁安全营运是不利的。
4、设置了维修通道。即使今天的很多桥梁，我们的很多设计人员也容易忽视桥梁维修检修通道。但是，福斯铁路桥在一百多年前就考虑了维修通道及步梯，这样便于桥梁在营运工程中做周期性的检修维护。这一点对于钢结构桥梁更是至关重要，因为钢铁锈蚀的防护会经常用到这些通道。
5、抗风能力强。由于整个桥梁才用了桁架结构通透率很大，阻风面很小；再加上“纺锤型”的桥型结构稳定性好。因此桥梁的抗风能力大大增加，安全而稳定。
6、海水锈蚀及防锈。海水中的盐分、氯离子会加快钢材的锈蚀，桥梁运行一百多年，能完好无损的保持到今天其防锈技术肯定过硬，这是不言而喻的。
福斯铁路桥曾被英国政府作为世界遗产保护向联合国教科文组织申报。
用“纺锤型”桁架延伸桥梁的跨度
再看看“纺锤型”桁架的细部。图中白色的位置就是几年前加固维修的部分杆件。
一百对年前的桥梁至今仍像一件艺术珍品
两个福斯桥（公路桥和铁路桥）横跨福斯湾，形成了强烈的对比。铁路桥更显峥嵘岁月！
主桥与引桥的过度桥墩
夜幕下的福斯铁路桥更显美丽
福斯铁路桥也成了一个旅游景点
福斯铁路桥的引桥
这是在福斯铁路桥旁边的福斯公路大桥（吊桥）
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