Cầu đường sắt Forth
Thời điểm: 1882 – 90
Địa điểm: Vịnh Forth, Scotland
Giá trị của thiết kế, nếu có sẽ tìm thấy không chỉ ở tính chất mới lạ của nguyên lý làm nền tảng mà còn nằm trong sự ứng dụng quả quyết các định luật cơ học và kết quả thực nghiệm.
Huân tước Benjamin Baker, 1941
Vịnh hẹp ở cầu Forth là một trong những nơi công trình tưởng nhớ kỹ thuật xây dựng của Anh trong thế kỷ 19. Trước khi đề xuất xây dựng cầu, vấn đề phát triển một phương pháp an toàn, có thể tin cậy khi vượt qua vịnh Forth làm đau đầu các nhân vật tên tuổi trong ngành xây dựng. John Smeaton (1772), Hugh Baird ( 1807), John Rennie (1809), Robert Stevenson (1817),Thomas Telfurd (1828), và nhiều người khác đề nghị thiết kế lại hệ thống phà và xây dựng hầm chui.
ü Một biểu tượng vừa của kỹ thuật xây dựng thế kỷ 19, Cầu đường sắt Forth vẫn còn là cầu lớn nhất vào hàng thứ hai thuộc loại này.
Vào đầu thập niên 1800, thiết kế cầu được xem là giải pháp của những người có suy nghĩ tiến bộ. Nhiều sơ đồ khác nhau được nghiên cứu rồi bị từ chối trước khi Quốc hội can thiệp vào năm 1865 và ủy quyền cho Công ty đường sắt Bắc Anh cùng kỹ sư Thomas Bouch thi công cầu vượt qua vịnh Forth. Bouch cũng là người thiết kế Cầu Tay, đề nghị xây dựng cầu treo có hai nhịp đôi dài 488m (1600ft). Thi công bắt đầu theo sơ đồ năm 1878 nhưng bị đình hoãn sau thảm họa ở Cầu Tay vào ngày 28/12/1879, 75 hành khách đi trên xe lửa bị sóng dập cho đến chết khi các nhịp giữa của cầu bị bão làm sập. Một năm sau, thiết kế Cầu đường sắt Forth của Bouch bị từ chối.
Nguyên lý dầm công xôn
Huân tước John Fowler, W. H. Barlow và T. E. Harrison đưa ra đề xuất mới. Thiết kế dựa trên ''nguyên lý dầm liên tục'' chủ yếu là một dầm liên tục với các điểm xác định ở những điểm uốn đã chọn. Đề xuất ban đầu được Fowler và cộng sự trẻ của ông là Benjamin Baker sửa đổi để có hình dạng như chúng ta thấy ngày nay.
Thuyết minh trước Viện hoàng gia năm 1887, Baker mô tả nguyên lý dầm công xôn: ''Hai người đang ngồi trên ghế giang rộng cánh tay, và đỡ bằng các que nắm nối đầu tiếp đầu tựa vào ghế. Vì thế có hai trụ cầu hoàn chỉnh, miêu tả qua hình vẽ phía trên đầu. Dầm giữa thể hiện bằng một que treo lơ lửng hay móc từ hai bàn tay trong của nhiều người, trong khi khối neo tạo ra đối trọng trong trụ cầu đầu công xôn ở đây thể hiện bằng một trụ gạch ở mỗi đầu.
''Khi tải trọng đặt ở dầm giữa bằng cách cho một người ngồi lên, thì cánh tay của những người kia và cáp neo sẽ chịu lực nén.
Ghế tượng trưng cho các trụ cầu tròn bằng đá hoa cương. Hãy hình dung các ghế cách nhau 1/3 dặm và đầu của những người này cao như thánh giá của nhà thờ Sắt Paul, thì cánh tay của họ tượng trưng bằng một hệ thống các dầm thép mắt lưới khổng lồ và que bằng ống thép có đường kính đáy 12 feet, thế là ta có khái niệm đầy đủ về kết cấu''.
ü Mô hình con người được Benjamin Baker sử dụng để chứng minh nguyên lý dầm công xôn cho Viện Hoàng gia năm 1817, với biểu đồ thể hiện các lực tác động.
Công xôn hiện đại đầu tiên do Heinrich Gerber xây dựng năm 1867 bắc qua sông Min ở Hassfurt, Đức, với nhịp giữa dài 130m (425ft). Đặt theo tên ông, công xôn ban đầu gọi là cầu Gerber. Ở Mỹ, cầu đầu tiên thuộc dạng này được Charles Shaler Smith xây dựng năm 1876 bắc qua sông Kentucky, năm 1883 một cầu có mút thừa (thuộc hệ tĩnh định nhiều nhịp) nổi tiếng được C. C. Schneider xây dựng qua sông Niagara. Đây là lần đầu tiên cầu được gọi là cầu công xôn (nhịp hẩng hay mút thừa).
Thi công cầu
Thử thách trong thi công cầu Forth nhiều vô kể. Nhịp gần như dài gấp bốn lần so với tất cả cầu đường sắt khác xây dựng trước nay ở Vương quốc Anh, nhưng vẫn chưa có cầu mút thừa. Thép, loại vật liệu được đề nghị, tương đối chưa được thử nghiệm trong thi công cầu. Từ giữa thập niên 1800, hầu hết cầu đường sắt đều làm bằng gang, mặc dù thép có thể tăng ứng suất cho phép tối đa 50%, rõ ràng rất thích hợp cho các nhịp dài. An toàn là quan tâm hàng đầu sau thảm họa ở Cầu Tay, do gió mạnh làm sập. Chịu được tải trọng gió mới 56 lb mỗi bộ vuông (lúc trước chỉ 10 lb mỗi bộ vuông), và Bộ Thương mại tuyên bố rằng ''phải làm công chúng tin tưởng, không những có tiếng là cây cầu lớn nhất và bền nhất mà còn là chiếc cầu kiên cố nhất thế giới''.
Thi công các nhịp khổng lồ là một nhiệm vụ trọng đại do William Arrol xứ Glasgow đảm nhiệm, ông cũng là người thi công cầu Tay đã sụp trước đây. Thi công bát đầu ở các trụ gối. Không có khó khăn đặc biệt nào phát sinh với công trình tiến hành trong các điều kiện thủy triều, hay các đê quai gian triều (giữa khoảng thời gian triều lên và triều xuống) và triều cường. Mỗi tháp trong số ba tháp chính gối lên bốn móng bằng đá hoa cương riêng biệt, xây trong giếng chìm sắt đường kính 21m (70ft). Giếng chìm xây dựng ở các độ sâu thay đổi từ 4,25m (14ft) đến 27m (89ft). Chậm trễ là do một giếng chìm bị nghiêng, qua sự kết hợp giữa triều rất cao và triều thấp, lún vào bùn không đều. Phải mất 10 tháng mới làm giếng nổi lại và được làm chìm lần nữa vào đúng vị trí chứng minh tính khả thi và khả năng có thể thi công thiết kế mút thừa. Vì thi công diễn ra bằng cách từ gối đỡ này sang gối đỡ khác, nên không cần kết cấu gối tạm thời, giảm rất đáng kể số vật tư và thời gian thi công. Tất cả kết cấu thép thượng tầng, sử dụng các ống tán đinh rivet lớn dành cho cấu kiện nén chế tạo tại chỗ.
Số liệu thực tế
Chiều dài tổng thể 2465m
Nhịp tối đa 521m
Chiều cao các tháp 104m
Chiều cao phía trên sông (triều cao) 46m
Thép ở kết cấu thượng tầng 50.000 tấn
Số đinh rivet 6.500.000
Nhân lực (tối đa) 4600
Chi phí 2, 5 triệu £
ü Thiết kế cầu giảm thiểu nhu cầu làm gối đỡ tạm thời trong thi công, như ảnh chụp hiện trường này cho thấy.
Tháng 9/1889, công nhân xây cầu leo từ Queensferry đến mút thừa Inchgarvie ở giữa băng qua thang đặt giữa hai máy kích trục, làm việc trên độ cao khoảng 60m (200ft) tính từ mặt nước. Ngày 15/10 làm lối vượt qua an toàn hơn, ngày 6/11, dầm giữa sẵn sàng ráp nối, khâu này chậm trễ hơn một tuần cho đến khi nhiệt độ thay đổ thích hợp để tạo ra sự giản nỡ cần thiết để ghép các tấm bản chính và cố định dầm giữa các mút thừa gối. Cầu do Hoàng tử xứ Wales khánh thành vào ngày 5/3/1890, hiện nay vẫn đang sử dụng. Đạt kỷ lục thế giới là cầu mút thừa cho đến năm 1917.
ü Cầu đường sắt Forth hiện vẫn đang sử dụng, quy mô thi công có thể nhận thức đầy đủ từ góc nhìn trên đỉnh tháp.
Không những Cầu đường sắt Forth bắc qua vịnh Firth ngày nay vẫn còn sử dụng, mà còn là một kết cấu tạo cảm hứng cho nhiều thế hệ kỹ sư. Công trình tưởng niệm như thế kéo dài mãi ''nếu bạn thi công'' theo Kỹ thuật xây Cầu đường sắt Forth ở vịnh Firth từ năm 1890.
