美國(guó)城市大跨徑橋梁建設(shè)擷英

穆祥純

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京市 100082)

美國(guó)城市大跨徑橋梁建設(shè)擷英

穆祥純

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京市 100082)

前幾年,筆者在考察美國(guó)期間,對(duì)紐約、匹茲堡和舊金山等地城市橋梁建設(shè)的總體印象和對(duì)懸索橋、拱式橋、斜拉橋等分類情況,以及近年來(lái)美國(guó)城市橋梁倒塌的情況作了調(diào)研,現(xiàn)將考察的相關(guān)啟示和建議作一介紹,為國(guó)內(nèi)同行們提供有借鑒意義的資料,以期促進(jìn)我國(guó)城市橋梁建設(shè)的健康發(fā)展。

考察;美國(guó);城市橋梁;橋梁建設(shè);相關(guān)啟示

0 引言

前些年,筆者曾赴美國(guó)的紐約、華盛頓、圣路易斯、丹佛、匹茲堡和舊金山等城市進(jìn)行為期18 d的城市橋梁建設(shè)專題考察,學(xué)習(xí)和借鑒美國(guó)在城市橋梁建設(shè)的相關(guān)情況和成熟經(jīng)驗(yàn),并與美國(guó)的同行們進(jìn)行了交流,了解了美國(guó)在城市橋梁設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理方面的相關(guān)情況,對(duì)其城市橋梁建設(shè)的有了總體印象。

眾所周知,城市橋梁通常指城區(qū)范圍內(nèi)建造的跨河、跨江、跨海橋梁、立交橋梁及人行天橋等。筆者于2007年3月發(fā)表“美國(guó)城市道路及橋梁工程考察的回顧和思考(2)”［1］,較詳細(xì)地介紹了美國(guó)一般城市橋梁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、美國(guó)的橋梁抗震和橋梁構(gòu)造等。而提起美國(guó)的橋梁,不能不提起猶太州的彩虹拱橋。在大自然鬼斧神工的創(chuàng)造中,美國(guó)猶太州彩虹拱橋(Utah Rainbow Arch Bridge)確實(shí)令世人感嘆,這座據(jù)說(shuō)是世界上己知的最大天然橋,橫跨在美國(guó)猶太州紅巖沙漠區(qū)的峽谷之上,橋長(zhǎng)94 m,橋頂寬10 m。這座奇特的天然拱橋,優(yōu)美的橋型和褐紅色的橋身,令到訪的人們流連忘返(見圖1)。

圖1 美國(guó)猶太州彩虹拱橋?qū)嵕?/p>

本文主要介紹美國(guó)經(jīng)典的城市大跨徑橋梁(懸索橋、拱式橋和斜拉橋)、具有創(chuàng)新理念的兩座新世紀(jì)大跨徑橋梁、美國(guó)城市橋梁的倒塌案例分析及相關(guān)啟示和建議。

1 美國(guó)的懸索橋

如眾所知,現(xiàn)代懸索橋的建設(shè)反映了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力和建橋水平,而懸索橋的基本構(gòu)造通常由主塔、錨錠、主纜、吊索、加勁梁及鞍索等主要部分所組成。在考察中,筆者總體感覺(jué),美國(guó)已建的大多數(shù)城市大跨徑橋梁其結(jié)構(gòu)型式尤以懸索橋?yàn)橹?。而這些美式懸索橋有四個(gè)特點(diǎn):一是結(jié)構(gòu)體系一般是三跨兩鉸式;二是大纜一般是空中送絲;三是橋塔后來(lái)均為鋼塔;四是加勁梁均為桁架式,橋面使用厚重的混凝土板,并在加勁梁架設(shè)中采用了梁段提升法。

1.1 著名的舊金山金門大橋

舊金山金門大橋是世界最著名的大橋之一,被譽(yù)為近代橋梁工程的一項(xiàng)奇跡。大橋位于美國(guó)加利福尼亞州寬一千九百多米的金門海峽之上。金門海峽為舊金山海灣入口處,兩岸陡峻,航道水深。歷史上,為1579年英國(guó)探險(xiǎn)家弗朗西斯·德雷克發(fā)現(xiàn),并由他命名。金門大橋的北端連接北加利福尼亞,南端連接舊金山半島。大橋的結(jié)構(gòu)型式為懸索橋,鋼塔之間的跨度為1 280 m,系當(dāng)時(shí)世界所建大橋中最大的單孔長(zhǎng)跨距。鋼塔聳立在大橋南北兩側(cè),高342 m,其中高出水面部分為227 m,相當(dāng)于一座70層高的建筑物。塔的頂端用兩根直徑各為92.7 cm、重2.45 t的鋼纜相連,鋼纜中點(diǎn)下垂,幾乎接近橋身,鋼纜和橋身之間用一根根細(xì)鋼繩連接起來(lái)。鋼纜兩端伸延到岸上錨定于巖石中。大橋橋體憑借橋兩側(cè)兩根鋼纜所產(chǎn)生的巨大拉力高懸在半空之中。從海面到橋中心部的高度約60 m,即使海水漲潮時(shí),大型船只也能暢通無(wú)阻。金門大橋包括從鋼塔兩端延伸出去的部分,全長(zhǎng)達(dá)2 000 m,為此,又分別在兩側(cè)修建了兩座輔助鋼塔,使橋形更加壯觀。大橋的橋面寬27.4 m,有6條車行道和兩條寬敞的人行道。大橋的設(shè)計(jì)者是工程師約瑟夫·斯特勞斯,人們?yōu)榧o(jì)念他對(duì)美國(guó)作出的貢獻(xiàn),把他的全身銅像安放在橋畔。銅像形象生動(dòng),神情自若。金門大橋于1933年動(dòng)工, 1937年5月竣工,用了4 a時(shí)間和10萬(wàn)t鋼材,耗資達(dá)3 550萬(wàn)美元。整個(gè)大橋造型宏偉壯觀、樸素?zé)o華。橋身呈硃紅色,橫臥于碧海白浪之上,華燈初放,如巨龍凌空,使舊金山市的夜空景色更見壯麗。金門大橋是舊金山的象征,它以雄偉磅礴的氣勢(shì),吸引著無(wú)數(shù)的游客。自大橋建成以來(lái)的五十多年間,從金門大橋上跳海自殺者已超過(guò)千人。為了防止在金門大橋上再發(fā)生投海自殺的現(xiàn)象,當(dāng)?shù)鼐觳块T應(yīng)用了現(xiàn)代化設(shè)備——閉路電視,實(shí)行“自殺監(jiān)視”。盡管如此,自殺現(xiàn)象仍未能消除。因此,這座大橋在使人贊嘆的同時(shí),又引起游人新的思考(見圖2、圖3)

圖2 著名的金門大橋?qū)嵕耙?/p>

圖3 著名的金門大橋?qū)嵕岸?/p>

1.2 喬治華盛頓大橋

喬治華盛頓大橋是美國(guó)第四座最長(zhǎng)的懸索橋,大橋位于紐約州華盛頓堡(Fort Washington, New York)和新澤西州李堡(Fort Lee,New Jersey)的附近。該橋的主跨為1 067 m(3 500 ft),這是當(dāng)年建成時(shí)的世界上最長(zhǎng)的大橋。這座雙層大橋于1927年10月動(dòng)工,并于1931年10月24日舉行了上層橋梁的通車通車典禮,而下層通車日期是1962年8月29日。它包括雙層橋面——上層為雙向8車道,下層為雙向6車道,共14個(gè)車道。此外,大橋上層道路兩側(cè)還設(shè)置了人行道。橋上的車速限制為45 mile/h(70 km/h),但由于交通擁堵經(jīng)常難以達(dá)到這樣的速度,特別是在早晚交通高峰時(shí)段進(jìn)出紐約市更是如此。大橋最初命名為“哈德遜河大橋(Hudson River Bridge)”,后為紀(jì)念第一位美國(guó)總統(tǒng)喬治·華盛頓(George Washington)而重新命名。這座大橋系紐約市的一條重要交通要道,95號(hào)州際公路、美國(guó)國(guó)道1號(hào)、美國(guó)國(guó)道9號(hào)、美國(guó)國(guó)道46號(hào)等重要高速公路均途經(jīng)此處。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2007年該大橋年通行量為147 912 000 pcu,日均車流量為295 649 pcu。喬治華盛頓大橋,目前被認(rèn)為是世界上車流量最大、最繁忙的橋梁(見圖4～圖7)。

圖4 喬治華盛頓大橋?qū)嵕耙?/p>

圖5 喬治華盛頓大橋?qū)嵕岸?/p>

圖6 喬治華盛頓大橋?qū)嵕叭?/p>

圖7 喬治華盛頓大橋?qū)嵕八?/p>

1.3 紐約布魯克林大橋

美國(guó)紐約的布魯克林大橋(Brooklyn Bridge),是紐約著名的標(biāo)志性建筑之一， 位于紐約的布魯克林區(qū)。橋梁的結(jié)構(gòu)型式為懸索橋,總長(zhǎng)度為1 825 m (5 989 ft),最大寬度為26 m (85 ft) ,距水面距離的距離為41 m (135 ft)。大橋采用的建筑材料主要為鋼索和石橋墩。該橋第一次使用了鋼絲主纜,孔徑布置為(284+486+284)m,4根直徑390 mm的主纜,主梁高5.2 m。當(dāng)時(shí)所采用的體系為高次超靜定體系,每一根拉索都是贅余構(gòu)件,為此在無(wú)法進(jìn)行計(jì)算分析的情況下,只能規(guī)定力在構(gòu)件之間分配。這座大橋從1867年開始建造，歷時(shí)16 a,到1883年建成。它橫跨紐約的東河,連接著布魯克林區(qū)和曼哈頓島。其87 m的高橋墩,是當(dāng)時(shí)紐約最高建筑物之一。橋身由上萬(wàn)根鋼索吊起，是當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的懸索橋,也是世界上首次以鋼材建造的大橋,落成時(shí)被認(rèn)為是繼世界古代七大奇跡之后的第八大奇跡,亦被譽(yù)為工業(yè)革命時(shí)代全世界七個(gè)劃時(shí)代的建筑工程奇跡之一。如今,每天從橋上經(jīng)過(guò)的車輛約14萬(wàn)veh。當(dāng)人們從布魯克林沿著林蔭道步行,可以觀賞曼哈頓的高層建筑及美麗的街景,可說(shuō)是紐約旅游的最亮點(diǎn)。紐約布魯克林大橋的設(shè)計(jì)者,是一位德國(guó)移民約翰·羅布林。該大橋投入了2 500萬(wàn)美元的資金,它已成為紐約市天際線不可或缺的一部分,而當(dāng)時(shí)紐約的三大市標(biāo)為帝國(guó)大廈、自由女神像和布魯克林大橋。這座大橋1964年成為了美國(guó)國(guó)家歷史地標(biāo)。而其良好的抗風(fēng)性能,為懸索橋向更大跨度發(fā)展開創(chuàng)了先例(見圖8～圖11)。

圖8 紐約布魯克林大橋?qū)嵕耙?/p>

圖9 紐約布魯克林大橋?qū)嵕岸?/p>

圖10 紐約布魯克林大橋?qū)嵕叭?/p>

圖11 紐約布魯克林大橋?qū)嵕八?/p>

1.4 科羅拉多州皇家峽谷大橋

美國(guó)科羅拉多州皇家峽谷大橋(Royal Gorge Bridge),位于阿肯色河上的皇家大峽谷,大橋的結(jié)構(gòu)型式為懸索橋,主跨為384 m(1 260 ft),1929年在6個(gè)月內(nèi)即由行業(yè)生手建成通車。這座大橋的橋面高出水平面321 m(1 053 ft),為當(dāng)時(shí)世界最高的懸索橋,并被評(píng)為世界上十座最美的橋梁之一。當(dāng)車輛行駛在這座千英尺深淵之上的橋面時(shí),其堅(jiān)固的橋身及精心設(shè)計(jì)的橋塔可承受繁忙的車輛在橋面行駛。同時(shí),科羅拉多州佳能市(Canon City,Colorado)在大橋附近設(shè)立了一個(gè)旅游景點(diǎn),即占地1.5 km2(360 acre)的主題公園,來(lái)自世界上不同膚色的人們,面對(duì)褐紅色的巖石和世界第一高橋,在此地蹦級(jí),挑戰(zhàn)極限,被堪稱一絕(見圖12)。

圖12 科羅拉多州皇家峽谷大橋?qū)嵕?/p>

1.5 匹斯堡第十街南大橋

匹茲堡市位于美國(guó)賓夕法尼亞州的西北部,是一個(gè)古老的工業(yè)城市。給人們印象最深的是,這里三江匯集,群山環(huán)抱,三條大的河流交叉流過(guò)市區(qū),是美國(guó)最早和最著名的鋼鐵基地。該市有數(shù)以百計(jì)的城市道路(有很多是高速公路),像蜘蛛網(wǎng)一樣貫穿到城市的每一個(gè)角落,且有28座風(fēng)格不一的鋼結(jié)構(gòu)橋梁連接著這座古老而又美麗的山城。這里的交通十分方便,由于地處丘陵地帶,除了市中心有幾條較筆直的馬路以外,全是枝杈型的,很難辨別方向。匹茲堡市跨越莫農(nóng)加希拉河的絕大多數(shù)橋梁為懸索橋或拱式橋。

匹茲堡第十街南大橋,通常被稱為匹茲堡第十街大橋,其正式名稱為菲美利橋,是一座橫跨莫農(nóng)加希拉河的懸索橋,橋面為4車道的道路,橋梁總長(zhǎng)度為389 m(1 275 ft),懸索橋的主跨為221 m (725 ft),建于1933年。這座橋梁連接南第十街南口到第二大道和阿姆斯特朗隧道。這座橋采用了一次穿越莫農(nóng)加希拉河跨度的橋梁,也是匹茲堡大河流建造的三座大型橋梁中,唯一選用懸索結(jié)構(gòu)的橋梁。這座橋梁令人印象深刻,從遠(yuǎn)處眺望,其懸索橋的橋塔設(shè)計(jì)和米黃色橋身,美觀和舒展,早已成為當(dāng)?shù)氐囊痪昂偷貥?biāo)性的建筑(見圖13、圖14)。

圖13 匹茲堡第十街大橋?qū)嵕耙?/p>

圖14 匹茲堡第十街大橋?qū)嵕岸?/p>

1.6 圣弗郎西斯科海灣大橋

圣弗郎西斯科海灣大橋(San Francisco-Oakland Bay Bridge),總長(zhǎng)度為2 470 m(8 100 ft),如此長(zhǎng)的跨度給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很多問(wèn)題,最終采用兩個(gè)獨(dú)立懸索橋?qū)拥男问?。兩個(gè)主跨均是704 m(2 310 ft)。該海灣大橋橫跨舊金山灣,連接舊金山與奧克蘭兩個(gè)大城市,于1933 年開始興建,1936 年11月完工通車。海灣大橋分為東西兩側(cè),中間開鑿隧道通過(guò)金銀島(Yerba Buena Island)。大橋西側(cè)長(zhǎng)2.8 km,東側(cè)長(zhǎng)3.1 km,分為上下兩層車道,上層往舊金山,下層往奧克蘭。舊金山市與金銀島的部分,是由4座鋼鐵橋塔支撐著上下兩層各5個(gè)車道,橋上的照明系統(tǒng)使得海灣大橋在夜晚顯得特別美麗。連結(jié)舊金山與奧克蘭的海灣大橋,于 1989 年的大地震中造成某些部份崩塌,于是經(jīng)幾年的計(jì)劃,在2002 年原橋旁動(dòng)工重新建造一座耐強(qiáng)震新橋。從遠(yuǎn)處眺望這座大橋,舒展的橋型和深灰色的橋身,與周圍的景色融為一體,早已成為當(dāng)?shù)氐貥?biāo)式的建筑物(見圖15、圖16)。

圖15 美國(guó)圣弗郎西斯科海灣大橋?qū)嵕耙?/p>

圖16 美國(guó)圣弗郎西斯科海灣大橋?qū)嵕岸?/p>

2 美國(guó)的拱式橋梁

在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中,由于斜拉橋等新橋型的出現(xiàn),現(xiàn)代鋼拱橋的跨度同近代相比沒(méi)有突破性的發(fā)展,但由于正交異性板鋼橋面、鋼箱梁和鋼橋連接技術(shù)的新發(fā)展,鋼拱橋在技術(shù)方面有了諸多創(chuàng)新,出現(xiàn)了尼爾森體系、提籃拱橋和大跨徑的拱梁組合體系。下面介紹美國(guó)三座有代表性的拱式橋梁。

2.1 弗里蒙特橋

1973年美國(guó)建成美國(guó)俄勒岡的弗里蒙特橋，在俄勒岡州跨越威拉米特河,系世界上第二長(zhǎng)的系桿拱橋。其體系為多跨布置的拱、梁組合體系橋,系三跨連續(xù)剛性梁柔性的系桿拱橋。該橋的桿件均為矩形箱,其中間兩支點(diǎn)均采用鉸支承，為有推力結(jié)構(gòu),跨度為137.7+382.6+137.7(m)。大橋?yàn)殡p層橋面,上層為正交異性板鋼橋面,下層為鋼筋混凝土橋面。采用正交異性板橋面箱形梁及栓焊結(jié)構(gòu),懸臂安裝施工。這座橋系建成時(shí)是世界上最大的拱式橋梁(1997年建成的我國(guó)重慶萬(wàn)縣長(zhǎng)江橋, 420 m,系世界上最大的鋼桁架拱橋)。當(dāng)初,在方案設(shè)計(jì)時(shí),弗里蒙特橋在美學(xué)造型既要與風(fēng)景秀麗威拉米特河兩岸的風(fēng)光相協(xié)調(diào),又要滿足結(jié)構(gòu)受力的要求。在這種情況下,其半拱的橋兩端的橋墩提出終止細(xì)長(zhǎng)之上,地面基礎(chǔ)的水平力的主拱和外半拱平衡。其中向外定向水平形成弦的弓力。該大橋的中跨系桿拱的吊索采用鋼絲繩,整個(gè)系桿拱凈重6 000t,從遠(yuǎn)處望去,大橋顯得通透、協(xié)調(diào)和美觀大方(見圖17)。

圖17 弗里蒙特橋大橋?qū)嵕?/p>

2.2 匹茲堡伯明翰大橋

美國(guó)匹茲堡伯明翰大橋(The Birmingham Bridge),是一座鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋,建于1976年。該橋位于美國(guó)賓夕法尼亞州著名鋼城匹茲堡,跨莫農(nóng)加希拉河。圖18系筆者在匹茲堡莫農(nóng)加希拉河畔上拍攝的一座橋梁。這座大橋主孔為下承式系桿拱橋,主跨徑為260 m,橋墩實(shí)體矩形型;其余邊孔為鋼板梁,橋墩為預(yù)制方形橋墩。該橋修建于20世紀(jì)70年代中期。這座橋梁的特點(diǎn)有三個(gè):一是受力明確,結(jié)構(gòu)安全,能滿足橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性要求。二是橋梁體量適度,外形輕巧;從遠(yuǎn)處看,比例協(xié)調(diào),能與周圍的景色融為一體。三是十分經(jīng)濟(jì),維護(hù)費(fèi)用少,鋼系桿拱結(jié)構(gòu)經(jīng)三十多年的運(yùn)行,至今仍運(yùn)行良好。

圖18 匹茲堡伯明翰大橋?qū)嵕?/p>

2.3 美國(guó)新河喬治橋

西弗吉尼亞州的新河喬治橋建于1977年跨越新喬治河大峽谷,系當(dāng)時(shí)世界上最大跨度的鋼桁架拱橋。該大橋跨度為518.2 m(目前最大跨度為我國(guó)重慶朝天門長(zhǎng)江大橋——主跨為552 m的鋼桁連續(xù)系桿拱橋),橋面寬度22 m,橋面距河水高度為267 m。原設(shè)計(jì)有懸索橋、桁梁和鋼拱三個(gè)方案,經(jīng)綜合比選,如橋墩高度、外形美觀、建筑費(fèi)用及懸臂安裝的難易程度等因素,最終選用鋼拱結(jié)構(gòu)。其上承桁梁為連續(xù)結(jié)構(gòu),其中兩聯(lián)用于引橋,中間一聯(lián)在主橋拱上。而引橋結(jié)構(gòu)用建于山坡上的焊接鋼箱形柱做排架支承。這座橋梁全長(zhǎng)924 m,路面由高5.49 m的上承桁梁支承,其上承桁梁為連續(xù)結(jié)構(gòu),其中兩聯(lián)用于兩端引橋,中間一聯(lián)在主橋拱上。這座氣勢(shì)宏偉的大橋,跨越山谷之間,顯得雄偉和挺拔,系橋梁建筑史上的杰作(見圖19、圖20)。

圖19 美國(guó)新河喬治橋?qū)嵕耙?/p>

圖20 美國(guó)新河喬治橋?qū)嵕岸?/p>

3 美國(guó)的現(xiàn)代斜拉橋

眾所周知,斜拉橋作為一種拉索體系,比梁式橋有更大的跨越能力。由于拉索的自錨特性而不需要懸索橋那樣巨大錨碇,加之斜拉橋有良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),已成為大跨度橋梁最主要橋型,在跨徑200～800 m的范圍內(nèi)占據(jù)著優(yōu)勢(shì),在跨徑800～1 100 m特大跨徑橋梁角逐競(jìng)爭(zhēng)中,斜拉橋?qū)缪葜匾巧Ｔ诳疾熘邪l(fā)現(xiàn),美國(guó)主要是以混凝土斜拉橋?yàn)橹?其不采用鋼斜拉橋的主要原因是因?yàn)殇摵附庸ぷ髁看?需較多的勞動(dòng)力,且養(yǎng)護(hù)工作量大,無(wú)法與混凝土斜拉橋競(jìng)爭(zhēng)。

3.1 斯蒂爾沃特斜拉橋

斯蒂爾沃特斜拉橋(Stillwater Cablestayed Bridge),系美國(guó)正在興建的一座橋梁,位于明尼蘇達(dá)州華盛頓郡與威斯康星州圣克羅伊郡之間,跨越圣克羅伊河的橋梁。這座4車道公路大橋距圣克羅伊河與密西西比河(The Mississippi River)交匯處約22.0 mile,建成后將成為明尼蘇達(dá)州36號(hào)高速公路(MN-36)及威斯康星州64號(hào)高速公路(WI-64)的一座重要跨河橋梁。該大橋全長(zhǎng)約918 m (3 010 ft),其結(jié)構(gòu)形式為多跨矮塔斜拉橋(部分斜拉橋),通航孔航道寬度約152 m(500 ft),通航凈空約43 m(140 ft)。全橋外觀明朗、輕盈、對(duì)稱、均勻、有節(jié)奏和韻律感,這座大橋于2014年建成(見圖21、圖22)。

圖21 斯蒂爾沃特斜拉橋?qū)嵕耙?/p>

圖22 斯蒂爾沃特斜拉橋?qū)嵕岸?/p>

3.2 陽(yáng)光高架斜拉橋

陽(yáng)光高架橋(Sunshine Skyway Bridge)座落于美國(guó)佛羅里達(dá)州的坦帕灣上,全長(zhǎng)29 040 ft(約5.5 mile,8.85 km)。大橋始建于1982年,并于1987年1月11日竣工,4月20日開放通車。大橋的結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)塔斜拉橋,其主跨為366 m(1 200 ft),高出水面58.8 m(193 ft),系當(dāng)時(shí)是世界上最長(zhǎng)的混凝土斜拉橋,工程總耗資為2.4億美元。這座大橋,主要是連接美國(guó)連接佛羅里達(dá)州的圣彼德堡市與馬納蒂縣的palmetto市,并跨穿希爾斯伯勒縣的水域。橋塔上的21根鋼纜穿過(guò)9 ft直徑的鋼管斜拉于橋身雙向行車帶間的中央隔離區(qū)上,支撐起300余件預(yù)制混凝土構(gòu)件組成的整體結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)手法可使車輛的駕駛員毫無(wú)遮擋地一覽海灣美景。興建此大橋,主要考慮以交通功能和安全性為主。大橋的6個(gè)橋墩周圍都建造了名叫“海豚”的混凝土障礙島,足以抵抗高達(dá)87 000 t的撞擊。橋梁197 ft的高度可以滿足坦帕灣繁忙的通航要求。大橋由鋼鐵與混凝土建造而成。其鋼纜外的鋼管被別具匠心地涂為亮黃色,以代表其所在地佛羅里達(dá)州(佛州亦被稱為陽(yáng)光州),該橋優(yōu)美的外形與炫目的色彩自建成之后即為其贏得盛譽(yù)。美國(guó)將陽(yáng)光高架橋列為世界十大橋梁中的第三位,并評(píng)價(jià)其為佛羅里達(dá)州的地標(biāo)(見圖23、圖24)。

圖23 陽(yáng)光高架斜拉橋?qū)嵕耙?/p>

圖24 陽(yáng)光高架斜拉橋?qū)嵕岸?/p>

3.3 西德尼拉尼爾橋

西德尼拉尼爾橋位于美國(guó)佐治亞州東南部的不倫瑞克,系一座三跨雙塔雙索面的斜拉橋， 是目前佐治亞州最大跨徑的橋梁。為便于大型船只通過(guò)不倫瑞克港,這座斜拉橋的主跨為381 m,兩個(gè)邊跨均為190.5 m,全長(zhǎng)2 651.424 m,建成時(shí)間為2001年。大橋?yàn)殡p向4車道，每車道4.09 m寬,中間設(shè)有中央分隔帶。這座大橋的最高的橋墩支撐于直徑為4 ft(大約1.36 m)的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)上。選擇這種基礎(chǔ)是因?yàn)樵谲浫跤才P層覆蓋的巖床上放置打入樁基礎(chǔ)(見圖25)。

圖25 西德尼拉尼爾橋?qū)嵕?/p>

4 新世紀(jì)兩座具有創(chuàng)新理念的大跨徑橋梁

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)美國(guó)又興建了以新海灣大橋和胡佛大橋?yàn)榇淼?具有創(chuàng)新理念的大跨徑橋梁。

4.1 具有創(chuàng)新理念的美國(guó)新海灣大橋

眾所周知,自錨式懸索橋不同于一般的懸索橋,它的主纜直接錨固在鋼箱梁的梁端,由主梁直接承受主纜中的水平壓力,主纜的水平拉力由鋼箱梁提供軸壓力自相平衡,不需要龐大的錨碇,這將給不方便建造錨碇的地方修建懸索橋提供了一種解決方法。而一般自錨式懸索橋的主纜錨固形式采用單塔自錨,因此這種橋梁的施工難度非常高、而且造價(jià)昂貴。自錨式懸索橋的特點(diǎn)為:(1)在外形結(jié)構(gòu)上,取消了其它懸索橋兩端大體積錨錠混凝土,節(jié)省了占地面積。(2)在受力結(jié)構(gòu)上,利用橋梁橋面系來(lái)平衡主纜的水平拉力,懸索部分和鋼箱梁自成體系形式,上部結(jié)構(gòu)中的恒載和活載通過(guò)自錨體系傳力至索塔,再傳至索塔基礎(chǔ)。(3)在施工步驟上,其它懸索橋先施工主纜,然后再進(jìn)行梁體的安裝或澆筑,而自錨式懸索橋由于主纜錨固在主梁兩端,故先進(jìn)行鋼箱梁的施工,再安裝主纜。(4)在施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控上,自錨式懸索橋要求精度較其它懸索橋高,鋼箱梁拼裝、主纜安裝調(diào)整、索夾和吊桿的安裝調(diào)整、索塔的偏位變形等都應(yīng)在監(jiān)控之下,使橋梁時(shí)刻處在良好的施工控制狀態(tài)和操作狀態(tài)。

正在興建中的美國(guó)新海灣大橋是世界上最大的單塔自錨懸索橋,將成為美國(guó)西岸新的標(biāo)志性建筑物,系迄今為止世界上最昂貴、最美麗、能抗地震、技術(shù)含量最高、壽命最長(zhǎng)(100 a以上)的橋梁。這座大橋座位于美國(guó)舊金山灣,將是今后進(jìn)入美國(guó)西岸舊金山市的標(biāo)志景觀,是世界第一大單塔自錨抗震懸索鋼橋,大橋主航懸索橋跨徑為565 m,鋼塔總高約160 m。但因要求抗震性能高(1998年舊金山地震,老橋受損,現(xiàn)帶病工作),設(shè)計(jì)和制造難度均很大。這座大橋是美國(guó)加州政府項(xiàng)目,作為世界第一單塔自錨抗震懸索鋼結(jié)構(gòu)橋梁,該橋梁由著名林同炎國(guó)際顧問(wèn)公司設(shè)計(jì),是世界同類鋼結(jié)構(gòu)橋梁中技術(shù)難度最高、造價(jià)最貴的鋼橋項(xiàng)目,能抵抗8級(jí)地震。經(jīng)過(guò)角逐,我國(guó)上海振華重工(ZPMC)獲得了制造美國(guó)舊金山新海灣大橋全部鋼結(jié)構(gòu)共4.5萬(wàn)t工程。該橋梁項(xiàng)目的鋼塔和橋梁全部鋼結(jié)構(gòu)由上海振華重工承建,這也是中國(guó)企業(yè)首次承擔(dān)如此大規(guī)模的復(fù)雜鋼構(gòu)橋梁的建造項(xiàng)目,包括大橋的鋼橋、鋼塔、浮吊等,總標(biāo)的額為3億美元。這座大橋主要由鋼塔、鋼梁和自行車道等三部分組成。這座大橋的創(chuàng)新點(diǎn)為:

(1)懸索橋鋼塔的高度為148 m,1.3萬(wàn)t的單塔柱支撐全橋重量7萬(wàn)t(包括鋼構(gòu)4.3萬(wàn)t,其余為橋板、水泥鋼纜),為世界同類橋梁之首,且為世界抗震鋼塔第一高度。其塔身由4根五邊形鋼柱和連接橫梁組成,最大板厚達(dá)到100 m。其制作難點(diǎn)在于每段重量重、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,厚板焊接難度高,并對(duì)塔的垂直度的要求非常嚴(yán)格。

(2)橋面的鋼箱梁總長(zhǎng)605 m,總寬為70 m,高為5.5 m,為世界同類橋梁中第一大箱梁,鋼梁由東西兩線鋼箱梁和聯(lián)系梁組成,采用栓焊結(jié)構(gòu),總重量約為3萬(wàn)t。將這批質(zhì)量要求極高的鋼構(gòu)全部交給我國(guó)的公司承造,在美國(guó)橋鋼梁建造史上是第一次。它標(biāo)志著世界橋梁制造的中國(guó)世紀(jì)已經(jīng)拉開帷幕。

(3)纜索與大地不發(fā)生關(guān)系,自錨在橋梁端部,因而有極強(qiáng)的抗震性,設(shè)計(jì)抗震8級(jí)為世界橋梁抗震之首。

(4)橋面寬達(dá)70 m,雙向12車道,中間還有一條自行車專用車道。僅從寬度看,為世界單塔橋梁之首。

(5)橋面每天汽車流量將達(dá)30萬(wàn)pcu,是舊金山與奧克蘭之間不可或缺的關(guān)鍵通道,即便再發(fā)生強(qiáng)烈地震也不允許中斷交通,而其橋面的機(jī)動(dòng)車通行能力為世界橋梁之首。

人們可以相信,不久的將來(lái)美國(guó)新海灣大橋建成之即,一座現(xiàn)代化的橋梁將使世人為之振奮和贊嘆(見圖26、圖27)。

圖26 美國(guó)新海灣大橋效果圖一

圖27 美國(guó)新海灣大橋效果圖二

4.2 美國(guó)新世紀(jì)的代表作——胡佛大橋

21世紀(jì)美國(guó)標(biāo)志性的建筑——胡佛大壩上新建起一座胡佛大橋,橫跨科羅拉多河,連接著美國(guó)的內(nèi)華達(dá)州和和亞利桑那州,這是地球上最新的超級(jí)建筑。這座大橋,系美國(guó)建設(shè)的第一座鋼筋混凝土組合拱橋,由林同炎國(guó)際顧問(wèn)公司設(shè)計(jì)。大橋距離科羅拉多河水面271 m(890 ft),采用鋼筋混凝土桁架拱結(jié)構(gòu),其329 m的主跨度為世界之最,橋梁總長(zhǎng)度為579 m,大橋設(shè)有4條車道,造價(jià)約合16.7億人民幣。經(jīng)過(guò)12 a的計(jì)劃和歷時(shí)5 a的建設(shè),大橋于2010年9月份竣工,建成后,每日可通過(guò)大小車輛17 000 veh。這座大橋共使用七百多米長(zhǎng)的高空纜繩架起的起重系統(tǒng)進(jìn)行吊裝,造型優(yōu)美的橋拱由106塊鋼筋混凝土預(yù)制件拼合而成,每一塊長(zhǎng)7.3 m。作為美國(guó)第一座鋼-混凝土復(fù)合拱橋(全橋混凝土拱肋由內(nèi)部的鋼材加固,形成了由鋼材-混凝土構(gòu)成的復(fù)合材料),大橋的設(shè)計(jì)風(fēng)格與索納米德人工湖的胡佛大壩相得益彰。這座21世紀(jì)第十年建成的大橋,不愧為美國(guó)新世紀(jì)的杰出橋梁代表作(見圖28、圖29)。

圖28 胡佛大橋?qū)嵕?/p>

圖29 胡佛大橋建設(shè)中的實(shí)景

5 美國(guó)城市橋梁的倒塌案例

在考察中,還對(duì)美國(guó)近年來(lái)發(fā)生的城市橋梁倒塌案例進(jìn)行了調(diào)研,其大致情況如下。

5.1 明尼蘇達(dá)高速公路橋梁

2007年8月1日美國(guó)明尼蘇達(dá)州密西西比河的一座高速公路上的橋梁突然垮塌,近50 veh車墜入高約18 m的河中,有9人死亡,數(shù)十人受傷,引起全世界的震驚。經(jīng)排查排除了恐怖襲擊的可能,系一起橋梁結(jié)構(gòu)性垮塌事故。該大橋修建于1967年,橋梁為鋼結(jié)構(gòu)拱橋,橋面距河面約20 m,橋長(zhǎng)為589 m。該橋2005年和2006年分別接受交通部門的檢查,均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。但2001年由明尼蘇達(dá)州交通部門的研究成果表明,大橋連接路堤河主橋的引橋“存在老化問(wèn)題”。支撐橋梁的主結(jié)構(gòu)桁架也存在“老化問(wèn)題”,研究顯示:按大橋的桁架設(shè)計(jì)理論,如果大橋一道兩個(gè)支撐面斷裂,則大橋有可能垮塌。但十分遺憾的是,最終的結(jié)論為:“大橋上承式桁架不可能發(fā)生老化斷裂,大橋可以延后報(bào)廢”。如果當(dāng)初下結(jié)論時(shí)更慎重些,是否可以避免上述災(zāi)難的發(fā)生呢?這究竟是屬于橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的不可抗力,還是運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)失誤而出現(xiàn)的案例尚需人們?nèi)ニ伎?見圖30)。

圖30 美國(guó)明尼蘇達(dá)高速公路橋梁倒塌現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

5.2 加利福尼亞一座在建的立交橋發(fā)生坍塌事故

2007年8月1日,美國(guó)加利福尼亞一座在建的立交橋突然發(fā)生坍塌事故,至少有1 veh汽車被掩埋在廢墟下面。汽車內(nèi)的司機(jī)被救出,但傷勢(shì)嚴(yán)重。另一名立交橋的建設(shè)者在這次事故中受重傷。據(jù)美國(guó)加州交通部門發(fā)言人表示,事故大約發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r(shí)間早上7點(diǎn)30分,有數(shù)輛汽車被掩埋在廢墟下。立交橋坍塌事故將不會(huì)對(duì)工程本身造成太大影響。美國(guó)各界人士對(duì)此極為關(guān)注,究其原因主要是施工中的排架失穩(wěn)引起的橋梁倒塌(見圖31)。

5.3 近年來(lái)美國(guó)城市橋梁倒塌的案例分析

圖31 加利福尼亞一座在建的立交橋發(fā)生坍塌事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

例如,1967年美國(guó)西弗吉尼亞州的錫爾弗( Silv er )橋,在交通高峰時(shí)段突然倒塌，奪走了46人的生命。這一事故促使美國(guó)FHWA 建立了全國(guó)橋梁數(shù)據(jù)庫(kù),從此記錄著全美橋梁的基本信息。

又如,美國(guó)某城市橋梁修建于1998年， 主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；,橋墩蓋梁采用鋼結(jié)構(gòu),也是在交通高峰時(shí)發(fā)生橋梁坍塌。調(diào)查表明,雖然事故發(fā)生造成上部梁體坍落時(shí)的沖擊，但卻損壞不嚴(yán)重。通過(guò)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的修復(fù),并在梁底增加新的支撐,即恢復(fù)了交通。

再如,2006年,在康涅狄格州布里奇波特也發(fā)生了一起因油罐車起火而引發(fā)橋梁倒塌的事故。這座城市橋梁也是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋。在該事故中,油罐車將橋面板下的鋼主梁在高溫下軟化,導(dǎo)致橋梁嚴(yán)重下?lián)?并造成嚴(yán)重的火災(zāi)(見圖32),但從圖32中可看出,混凝土梁的耐火性較鋼梁好,故而這座橋梁損毀得不太嚴(yán)重。

圖32 美國(guó)某城市橋梁發(fā)生火災(zāi)后的事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

綜上所述,近40 a來(lái),美國(guó)歷史上曾發(fā)生一系列橋梁倒塌事故,造成了重大的社會(huì)影響。通過(guò)考察,了解到,前些年美國(guó)還沒(méi)有一個(gè)對(duì)橋梁倒塌事故進(jìn)行詳細(xì)記錄的數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)FHWA對(duì)2000-2008 年美國(guó)發(fā)生的橋梁倒塌事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,這期間美國(guó)共發(fā)生16 起橋梁倒塌案例,而引發(fā)橋梁倒塌的原因大致可分為6大類,分別為:設(shè)計(jì)失誤、構(gòu)造尺寸不當(dāng)、施工失誤、材料質(zhì)量低下、養(yǎng)護(hù)不足和外部誘因。根據(jù)這些原因,把2000-2008 年美國(guó)發(fā)生的16 起橋梁倒塌事故進(jìn)一步分類。引發(fā)橋梁倒塌的原因涵蓋了設(shè)計(jì)與施工失誤、養(yǎng)護(hù)不足和外部誘因。其中外部誘因 ( 10例， 占62. 5% )是導(dǎo)致橋梁倒塌的主要原因。在其統(tǒng)計(jì)結(jié)果中， 約83% 的倒塌事故都是由外因誘發(fā)的,這與1989-2000 年美國(guó)橋梁倒塌原因總結(jié)的規(guī)律較為接近。

6 相關(guān)啟示和建議

從上述介紹美國(guó)不同結(jié)構(gòu)型式的經(jīng)典城市大跨徑橋梁、具有創(chuàng)新理念的新世紀(jì)兩座大跨徑橋梁、美國(guó)城市橋梁的倒塌案例及相關(guān)啟示,可得出以下8點(diǎn)啟示和建議。

(1)如眾所知,橋梁是人類所建造的最古老、最壯觀、最美麗的建筑工程之一。本文所介紹的美國(guó)經(jīng)典的城市大跨徑橋梁都以其鮮明的形象、強(qiáng)烈的藝術(shù)感染力,反映了時(shí)代特征和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征及橋梁建筑美學(xué)的功力,也給當(dāng)?shù)貛?lái)了獨(dú)特的藝術(shù)魅力。譬如美國(guó)紐約州華盛頓堡附近的幾座經(jīng)典橋梁。因此,橋梁建筑不僅要表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定連續(xù)、強(qiáng)勁穩(wěn)固的力感和跨越能力,而且要有美的形態(tài)與內(nèi)涵,內(nèi)容和形式的高度統(tǒng)一,才能顯示出不朽的生命力。這一點(diǎn)對(duì)我們是有借鑒和啟迪作用的。

(2)在城市橋梁,特別是大跨徑城市橋梁的結(jié)構(gòu)選型方面,美國(guó)人順應(yīng)了世界橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì),呈現(xiàn)了很強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)用功能。在近100 a間,美國(guó)人建造了許多現(xiàn)代大跨徑城市橋梁,其特點(diǎn)主要呈現(xiàn)以下兩個(gè)特點(diǎn):一是在結(jié)構(gòu)選型上因地制宜,主要是懸索結(jié)構(gòu),同時(shí)又有斜拉結(jié)構(gòu)和拱式結(jié)構(gòu),還有梁式結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)選型以發(fā)揮該種結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)優(yōu)勢(shì)為主;二是在跨徑的確定上,并非單純追求跨徑上的新突破和世界第一,而是將創(chuàng)新性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)籌考慮和綜合確定。這兩個(gè)方面的成功經(jīng)驗(yàn)在我國(guó)當(dāng)前大規(guī)模興建橋梁工程的今天,的確值得大家深入思考和借鑒。

(3)在城市橋梁的設(shè)防上,我們所考察的美國(guó)海上大跨徑橋梁,由于所處地域自然環(huán)境的不同,有的橋梁橋墩設(shè)計(jì)在構(gòu)造上主要是考慮防止浮冰的撞擊,而另一些橋梁則主要是考慮防船舶撞擊。結(jié)構(gòu)一旦遭到撞擊,他們有一套快速修復(fù)系統(tǒng)在最短時(shí)間里修復(fù)結(jié)構(gòu)。在城市橋梁跨線橋的設(shè)防上,所有橋梁未設(shè)防撞角鋼、防撞門架,也未見橋梁有刮蹭、被撞破壞現(xiàn)象。一是汽車制造廠都高度嚴(yán)格地按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出廠,未有私自改裝加高等現(xiàn)象;二是橋梁凈空盡量按高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),凈空高度沒(méi)有劃分成很多種類型。這些亦是我們應(yīng)對(duì)比和思考的。

(4)在橋梁結(jié)構(gòu)防腐蝕和橋梁鋼材防腐設(shè)計(jì)觀念上,美國(guó)人反對(duì)使用環(huán)氧涂層鋼筋,認(rèn)為環(huán)氧涂層會(huì)降低鋼筋與混凝土之間的握裹力,使得這兩種材料的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)無(wú)法發(fā)揮出來(lái)以致降低了材料使用效率。因此,他們主張通過(guò)改進(jìn)混凝土本身的材性來(lái)提高結(jié)構(gòu)的耐久性標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)他們?cè)跇蛄航Y(jié)構(gòu)的耐久性方面也采取了許多技術(shù)措施和管理措施,也值得我們借鑒。

(5)在橋梁防災(zāi)減災(zāi)和對(duì)意外事故的防范措施上,針對(duì)因外部誘因( 如船撞、火災(zāi)、颶風(fēng)、地震等) 而倒塌的橋梁占倒塌橋梁總數(shù)的62. 5% ,而這些外部誘因又是導(dǎo)致橋梁倒塌的主要原因,美國(guó)的相關(guān)規(guī)范對(duì)橋梁抗震的設(shè)防有十分明確的規(guī)定,并且各州均有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。因此,在橋墩防撞、颶風(fēng)、火災(zāi)等問(wèn)題上,他們注重從技術(shù)法規(guī)和具體做法上對(duì)設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)提出明確的要求。這一點(diǎn),結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的實(shí)際情況,的確值得學(xué)習(xí)和借鑒,以盡快填補(bǔ)我國(guó)在此方面的空白和不足。

(6)通過(guò)此次考察,我們深感,美國(guó)人對(duì)耐久性問(wèn)題的重視,美國(guó)的鋼橋數(shù)量也比我國(guó)要多很多。從美國(guó)16起橋梁倒塌事故可以看出,雖然鋼橋與混凝土橋的耐久性問(wèn)題側(cè)重點(diǎn)不一樣， 但問(wèn)題仍很突出。鋼橋存在著鋼材腐蝕、疲勞、低溫脆斷和耐火性差等問(wèn)題;而混凝土橋梁則存在鋼筋腐蝕、混凝土劣化等現(xiàn)象。目前在我國(guó)橋梁工程特別是城市橋梁,前些年對(duì)提高耐久性的意識(shí)還不強(qiáng),規(guī)范中相應(yīng)措施的可操作性還不完善，,研究與實(shí)踐均需要加強(qiáng)。因此,在“十二五”期間,需專題研究并盡快將研究成果應(yīng)用于實(shí)際橋梁工程建設(shè)中。

(7)城市橋梁的檢測(cè)、評(píng)估工作十分重要,但從以往的橋梁的抗力隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸退化的事實(shí)來(lái)看,實(shí)際運(yùn)營(yíng)中對(duì)橋梁的服役要求卻在不斷提高,美國(guó)16起橋梁倒塌事故中， 13起都是在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生的。因此， 橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間越長(zhǎng)， 發(fā)生倒塌的可能性也越大。我們對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的在役橋梁， 如何從管理和技術(shù)的角度進(jìn)行有效的檢測(cè)和評(píng)估， 對(duì)于今后防范橋梁倒塌事故極為重要。因此,我們應(yīng)加強(qiáng)這方面的工作。

(8)當(dāng)前我國(guó)在進(jìn)入21世紀(jì)第二個(gè)十年,以青島海灣大橋和港珠澳大橋?yàn)榇淼奶卮笮蜆蛄汗こ?以及祖國(guó)各地城市化進(jìn)程中必將興建一大批城市橋梁,我們不僅成為橋梁建設(shè)大國(guó),更應(yīng)成為橋梁建設(shè)強(qiáng)國(guó),應(yīng)將橋梁建設(shè)中的創(chuàng)新性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性有機(jī)地融合在一起,更好、更快地進(jìn)行橋梁工程建設(shè),不斷推動(dòng)祖國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程!

［1］ 穆祥純.美國(guó)城市道路及橋梁工程考察的回顧和思考(2)［J］. 特種結(jié)構(gòu),2007,(1).

U448

E

1009-7716(2015)03-0036-10

2014-08-13

穆祥純(1955-),男,北京人,教授級(jí)高級(jí)工程師,副總經(jīng)理,從事橋梁工程設(shè)計(jì)、城市交通研究及技術(shù)管理工作。