伦敦桥要倒了，
要倒了，要倒了；
伦敦桥要倒了；
我美丽的女士。
建起来用砖石，
用砖石，用砖石；
建起来用砖石；
我美丽的女士。
找人来盯一整夜，
一整夜，一整夜；
找人来盯一整夜；
我美丽的女士。
我们越琢磨这首熟悉的童谣，越觉得诡异。虽然尚无法确定它可追溯到17世纪以前，但它无疑非常古老，《牛津童谣词典》（Oxford Dictionary of Nursery Rhymes ）竟然用好几页的篇幅解释它。在全世界范围内，桥梁建造常和儿童舞蹈联系在一起（“我们舞蹈，我们舞蹈，在阿维尼翁桥”），也与不仅仅是传说的活人献祭有关。至少有一副儿童骨架在桥基里被发现。 [1] 或许正是基于这个原因，在中世纪的欧洲各地纷纷建立了专门的造桥修士团。他们造就了一位圣徒圣贝内泽（StBénezèt），应该是他设计了阿维尼翁桥。像后来的特尔福德一样，他也曾是个牧童，人们善意地认为，是他免除了献祭，并使儿童舞蹈和法式童舞曲调留存至今。造桥修士团法国分部的修道院位于巴黎附近，即著名的圣雅克修道院。
实际上，桥梁的用途是让车辆等重物能横越某种间隔或缝隙。假如重量是以安全的方法来支撑，那么采取什么样的技术手段来达成目的通常就不那么重要了。结果表明，有各种各样的结构原理可以应用。
在任意给定情况下，实际选择的方法不仅依赖于物质和经济条件，还取决于当时的流行风尚和工程师的心血来潮。几乎每一种可能的造桥方式实际上都在现实的桥梁上尝试过了。有人可能会认为，解决问题之法到头来总会是“最好”的一个且被普遍接受，但实际情况并非如此；常用结构体系的数量似乎随时间流逝而不断增加。
在文明开化的国家，桥梁随处可见且种类丰富；它们对不同的结构原理进行了非常有趣的展示。大多数其他人造物的关键结构都深藏于镶板、隔层、布线或诸多小配件之后，不易看出或推断出；而桥梁的一个长处是，其结构和运作方式都一目了然。
拱桥
拱桥一直颇受欢迎，不论何种样式，都非常流行。一个简单的砖石砌拱的跨度可安全地达到200英尺（60米）以上。对大多数场所而言，如果没有采用拱桥，那么很可能与成本、拱高，以及桥墩或桥基处的载荷有关。
如果我们关心的是古罗马和中世纪普遍使用的平地半圆砖石砌拱，那么生活中的一个事实是，拱高必须为砖石砌拱跨度的大约一半。因此，100英尺的跨度需要至少50英尺的拱高，在实践中还要更高。如果桥梁跨越的沟壑超过50英尺深，是没有问题的，因为拱可以沉下去，让拱顶同两边的路面一样高。但是，如果要把桥建在平地上，我们就得另做打算：要么选择不便利且危险的驼峰桥，要么选择又长又贵的倾斜桥。
随着铁路时代的到来，这个难题变得尤其重要，因为火车不喜欢驼峰桥或者任何坡度，为建造平坦路堤而掘土的花销不可小觑。建造一个拱高低得多的平拱至少可在一定程度上克服这个困难。1837年，为了让大西部铁路线在梅登黑德横跨泰晤士河，伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔建了一座双砖拱桥，每个拱的跨度为128英尺，而拱高仅为24英尺（见插图10）。
公众和专家都对此感到震惊，报纸纷纷预言这座桥永远也立不起来。为了保持媒体热度和宣传力度，或许也是为了衬托他的幽默感，布鲁内尔推迟了移除支撑拱的木制拱架或脚手架的时间。有传言说他是因为害怕。大约一年后，当拱架在暴风雨中被摧毁时，拱桥仍然屹立不倒。布鲁内尔随后透露，事实上拱架在砌砖就位后不久便被缓缓挪出了几英寸的间隙，数月来没起到任何作用。这座桥至今仍矗立在那儿，其承载的列车重量大约是布鲁内尔预计的10倍。
当我们将拱的形状变平以降低与跨度成比例的拱高时，拱环楔块间的挤压推力会大幅增加，正如我们预期的那样。但是，压应力照例仍远低于砖石建筑的抗碎强度，拱的楔块破裂的风险极小，即便拱架移除后，拱下沉过程中产生的挠变可能相当大，通常可达数英寸。
然而，造成“平”拱的任何实际损坏的最大的原因是，在拱墩上施加更大的推力。如果拱基是由像岩石这样的结实材料构成的，就会相安无事；但若它建在软地层上，移位太多则可能会带来巨大的麻烦。不幸的是，对又长又平的拱的需求最有可能出现在我们架桥跨越流经平坦沼泽地区的河流时。
正是出于这些理由，桥梁常常是用许多小拱组成的；事实上，几乎所有中世纪的长桥都是多拱桥。反对如此行事的理由是，建造支承墩（通常在水下，有时也在软地层上）的成本较高，而且大量的支承墩和窄拱会阻塞河道，可能导致洪水泛滥并威胁航运。
铸铁桥
关于拱桥的一些反对意见，可通过使用非传统材料建造来化解。18世纪70年代，约翰·威尔金森（John Wilkinson）等人——通过改进高炉大大降低了铸铁的冶炼成本——开始用铁铸造楔块。铸铁是一种完全不同于锻铁和钢的材料，它非常脆。它在压缩状态下像石块一样坚硬，但在拉伸状态下却变得不可靠，所以在建筑构造中，我们只能把它当成砖石。
铸铁的优势在于，它有可能将楔块等建筑构件铸造成中空格状框架的样式，使其相较于传统砖石重量大幅减少。此外，铸铁一般比刻石便宜，在《1832年改革法案》出台前后的品位退化趋势出现之前，这些铁铸件通常具有非常吸引人的形状。
铸铁对造桥的益处是双倍的。第一个益处是，它节约了劳动和运输成本；第二个也是更有意义的益处是，拱重量的减少降低了作用于拱墩的推力，允许工程师用更便宜的拱基建造更平的拱。
奇妙的是，第一批利用这种技术优势的人里就有托马斯·潘恩（Thomas Paine），他因著有《人的权利》（The Rights of Man ）而名垂青史。潘恩计划亲自设计并建造一座大型铸铁桥，横跨费城附近的斯库尔基尔河。他来到英格兰订购铸件，在铸件制造期间，他作为法国大革命的拥护者前往巴黎拜访他的雅各宾派友人。但这些绅士却把他投进监狱，还差点儿将他送上断头台。直到罗伯斯庇尔政权垮台，他才被解救出来。
由于延滞，潘恩的财务崩溃了，铸件也被折价售卖用于建造森德兰的威尔河谷上的一座桥。这座拱桥建于1796年，净跨度为236英尺，拱高仅为34英尺。40年后，布鲁内尔没有用铸铁建造梅登黑德桥，或许是因为他担心列车的振动会使脆性的铸铁开裂。不管怎样，他的砖拱运行状况良好。
19世纪期间建造了大量铸铁拱桥，虽然它们几乎都成功了，但这种方法今天却少有使用，主要是因为现在有更便宜的办法可达到同样的目的。不幸的是，非常平的铸铁拱乍看起来有点儿像梁（见第11章）。在结构上，两者完全不同，因为拱是（或应该是）全部处于压缩状态之下，而梁的下表面则处于拉伸状态之下。如果材料能被用来承载拉应力，那么就类似的用途而言，梁通常比拱更轻也更便宜。
某些早期的工程师，尤其是罗伯特·史蒂芬孙（Robert Stephenson），在这种经济前景的引诱下冒险使用了铸铁梁。由于史蒂芬孙杰出的职业声望，铁路公司被说服建造了几百座铸铁梁桥。然而，正如我们说过的那样，铸铁在拉伸状态下脆弱而不可靠，这些桥被证实确实非常危险。最终，它们不得不被逐一替换掉，铁路公司自然损失惨重。
悬吊路面的拱桥
建造大型拱桥的一个现代趋势是运用悬吊路面。我们把拱环拆分成两个平行的部分，用钢材或钢筋混凝土建造，这样我们就能将路面悬挂到拱上，位于我们喜欢的任意水平高度，类似于悬索桥（见图10–1）。当然，这样做的话，拱高也不受限制。
图10–1 悬吊路面的拱
纽约地狱门大桥（建于1915年）的跨度为1 000英尺（约300米），悉尼海港大桥（建于1930年）的跨度为1 650英尺（约500米），它们都属于这种类型的钢制桥。在这类桥梁中，主要载荷全都由受压的拱承担，而悬挂的路面则免受纵向应力。因此，在大型桥梁中，作用于桥墩的推力是相当大的，所以需要非常可靠的桥基。纽约地狱门大桥和悉尼海港大桥都建在坚固的岩石上。
悬索桥
砖石砌拱有许多优点。如我们在上一章所见，它们比较容易设计，因为一般情况下，我们可以安全地根据先前的经验把它们按比例放大。事实上，如海曼教授所说，要设计出一个会坍塌的拱非常困难。这一“壮举”在1751年由庞特普利德的威廉·爱德华兹（William Edwards）实现了，但我认为之后似乎再没有这类事故发生的任何记载。而且，拱对拱基处适度的移动不太敏感。但是，拱基是一定要有的：在松软的地面上建造它们既麻烦又昂贵。
此外，尽管砖石建筑的维护成本通常很低，但其初始成本总是很高，对建造期间需要精心制造拱架的大型桥梁来说，尤其如此。基于这些原因，桥梁领域的人们总是追求某些便宜又令人愉快的东西。在落后的国家，各种悬索桥相当常见，这些桥是用绳缆或其他种类的植物纤维建成的。绳缆悬索桥也被军事工程师用于架设临时的桥梁，其中具有代表性的是伊比利亚半岛战争期间惠灵顿的工程兵架设的悬索桥。
然而，虽然新的绳缆很强韧，是承载张力的可靠材料，但植物纤维制成的绳缆在露天环境中会迅速退化，变得不可靠，就像某些有趣的风云人物在圣路易斯雷大桥附近发现的那样。对永久性的悬索桥来说，铁索或钢缆是必要的。铸铁太脆，钢材直到最近才能在市场上买到，不过锻铁相当强韧，还特别耐腐蚀。
虽然1741年在提兹河上用铁链制成了70英尺（约20米）长的人行桥，但直到1790年左右搅炼法被引入，锻铁一般都因太贵而无法广泛用于桥梁建造。此后，锻铁链变得比较便宜。在提兹河大桥上，人们用原始的方式直接在铁链上铺路，致使桥上不能通行车辆，对行人而言也肯定是既陡峭又可怕。以高塔支持缆绳并在缆绳下悬挂路面的现代系统（见图10–2）是由宾夕法尼亚的詹姆斯·芬利（James Finlay）发明的，他于1796年前后开始建造这种桥梁。
图10–2 悬索桥的现代样式——用缆绳悬挂住水平路面，由詹姆斯·芬利于1796年左右发明
悬挂的水平路面加上价格合理的锻铁链，使悬索桥成为宽阔河面上承载过往车辆的一个吸引人的方案。在许多情况下，这些桥梁比大型砖石砌筑桥更便宜也更实用。这个办法在许多地区被广泛采用，尤其是托马斯·特尔福德，他的桥横跨梅奈海峡，于1825年落成（见插图11）；其中心跨度达550英尺（约166米），是现存最长的桥 [2] 。
特尔福德使用的铁链像当时所有用于桥梁的悬链一样，由平板或环构成，用栓或销接合，很像现代自行车链条的环。销接合的应力集中要求材料既有韧性又有延展性，比如锻铁，这种类型的铁链的确非常成功，几乎不会带来任何麻烦。虽然锻铁在拉伸状态下是可靠的，但它不是特别强劲，于是特尔福德明智地将铁链里的最高公称应力降到大约8 000 psi（55 MN/m2 ），不到断裂应力的1/3。
在这些情境中，铁链的大部分强度都用于支撑其自身重量，而特尔福德认为，在运用当时材料的前提下，梅奈悬索桥大致代表了悬索桥的最大安全跨度。虽然布鲁内尔最终证明特尔福德是相当谨慎的——布鲁内尔的克里夫顿悬索桥的跨度为630英尺（约190米）——但梅奈悬索桥的跨度纪录仍保持多年；而且不管怎样，锻铁链的局限性都是显而易见的。
长距离道路悬索桥的新近潮流成为可能，靠的就是高抗拉钢丝的供应。这种材料要比锻铁或低碳钢强劲得多，故而能在更长的长度上支撑其自身重量。高抗拉钢比锻铁更脆，但这是可以接受的，因为钢缆是连续的，不需要使用特别容易开裂的销接合方式。此外，钢缆不像链索那样每个单元只靠三四个平行板彼此连接，它是由数百根分离的钢丝编织而成，任何一根钢丝的失效都不太可能招致危险（见插图12）。
作为今日人力可及的一个例证，新亨伯高速公路大桥的净跨度长达4 626英尺（约1 388米），是特尔福德认为的8倍多。它的成功倚仗的事实是：悬吊钢丝安全运行的工作应力上限为85 000 psi或580 MN/m2 ，是特尔福德的锻铁链应力的10倍多。
拱与悬索桥中的推力作用线
悬索桥的钢缆会自动选择最佳形状，因为一条柔性绳索别无选择，只能顺从拉伸它的所有载荷的合力。因此，我们能够确定悬索桥钢缆的形状，一种方法是像特尔福德那样通过给它的模型加载，另一种方法是通过在制图版上简单操作“索多边形”。这对设计悬索桥是有用的（例如，我需要知道路面吊弦的合适长度），对设计拱也很有用。
如果我们先看一座悬索桥再看一个拱，不需要太多想象力便可知道，悬索桥其实就是颠倒过来的拱，反之亦然。换言之，如果我们改变拱中所有应力的正负号，即把所有压力转变成张力，这些张力就可由一根呈曲线状的绳索来承载，这可被视为在拉伸状态下定义了一条“推力作用线”。这样一来，我们就能比较轻松地获得拱桥或拱顶的压缩推力作用线。
通过这种方法，我们可以获得各种形状的推力作用线，它们会因负载的细节而略有不同，例如桥上是否有车流。这些推力作用线中的任意一条都是安全的，前提是它完全处于拱环的预期形状范围内，否则就另当别论。略资深的人有时会说，以这种方式得到的拱的推力作用线呈悬链线的形状，因此圆形拱是“错的”。情况不总是这样，在许多情境中，推力作用线非常接近于一段圆弧，这足以证明罗马人建造的高度耐用的半圆形拱是合理的。但是，如果要建造一个确实很薄的拱（现代钢筋混凝土桥梁的惯常做法），那么最好把形状设计得分毫不差，因为推力作用线几乎没有可移动的空间。
弓形主梁的发展
尽管悬索桥是在19世纪初迅速起步的，但其发展历程因铁路时代的到来而中断了大约100年。在维多利亚时代英格兰建筑的25 000座大桥中，绝大部分都是铁路桥。悬索桥是一种高柔性结构，在大的集中载荷的作用下，容易发生危险的形变。对公路桥来说，这个特征没什么大不了的， [3] 但火车的重量一般是货运马车或卡车的上百倍，所以它们引起的挠变很可能也高达百倍，而这是不能接受的。英格兰建造的铁道悬索桥中明显失败的没几座。那时的美国人面对更宽的河面及资金不足而信念有余的状况，在一段时间内坚持修建悬索桥，但最终不得不放弃它们中的大多数。
因此，对桥梁的需求不仅是又轻又便宜，还得有刚性且适宜大跨度。这推动了“系杆拱”或“弓形主梁”的发展（见图10–3）。拱颇具刚性，但它把相当大的力外推到了拱墩上。如果这些拱墩正好是由坚固的岩石构成的，那么这可能无关紧要，但在铁道施工过程中可能出现的许多情形里，局面却颇为尴尬。尤其不便的是，如果要把一个拱或一组拱架设在又高又细的桥墩上，这些桥墩可能承受不住巨大的侧向载荷。
图10–3 弓形主梁或系杆拱缓解了桥墩处的侧向推力，它在维多利亚时代的铁道工程师中颇受欢迎
然而，这正是维多利亚时代的工程师经常想做的事，因为他们频繁地让铁路大胆地跨越深谷，有时高度会达到100英尺或更多。解决该难题的一个办法是，借助承张构件将拱的两端连接在一起。这可以通过悬吊路面来实现，在这种情况下路面是为自身服务的：路面处于拉伸状态。
弓形主梁乍看就像一个带悬吊路面的普通拱，但其运作方式完全不同。现在，既然没有侧向推力或拉力作用在桥基上，桥基就只需支撑垂直向下的载荷，这些载荷源自主梁和桥上任何车辆的实际重量。事实上，整个结构可被架设在滚子而非刚性桥基上，并且人们通常就是这么做的，主要是为了给金属的热胀冷缩留出余地。因为这样的主梁不会产生纵向推力，所以它们能被架设在较窄的砖石砌柱上。
弓形主梁可被视为完整、独立的单元，这一事实可能大大促进了大型桥梁的建造，因为它使得在远离桥本身的地平面上组装主梁成为可能。之后，人们乘筏将其运送至桥墩处，并借助千斤顶将其抬升到合适的位置。布鲁内尔在处理索尔塔什大桥的跨度问题时就是这样做的。我们将在下一章看到，系杆拱确实是“桁架”或格构梁大家族的又一个成员，结构工程领域中随处可见这些东西。
[1] 在伯克郡洛伯里山上的罗马要塞，距离我撰写这一章的地方约1英里处，人们发现一具妇女的遗体被浇筑进地基里。这种做法持续到了近代。1871年，英格兰的某位利勋爵具有重大嫌疑，人们怀疑他在沃里克郡斯通利的一座桥基里埋了一个“讨厌的家伙”。
[2] 截至本书英文版出版之时，即1978年。——编者注
[3] 特尔福德的桥都是公路桥或运河桥。美国人将悬索桥广泛地用来跨渠渡槽，水道则是以悬吊木槽输送的。当驳船从桥上经过时，净载荷自然没有变化，挠度也就没有变化。
