美國城市大跨徑橋梁建設擷英

穆祥純

(北京市市政工程設計研究總院有限公司,北京市 100082)

美國城市大跨徑橋梁建設擷英

穆祥純

(北京市市政工程設計研究總院有限公司,北京市 100082)

前幾年,筆者在考察美國期間,對紐約、匹茲堡和舊金山等地城市橋梁建設的總體印象和對懸索橋、拱式橋、斜拉橋等分類情況,以及近年來美國城市橋梁倒塌的情況作了調研,現將考察的相關啟示和建議作一介紹,為國內同行們提供有借鑒意義的資料,以期促進我國城市橋梁建設的健康發展。

考察;美國;城市橋梁;橋梁建設;相關啟示

0 引言

前些年,筆者曾赴美國的紐約、華盛頓、圣路易斯、丹佛、匹茲堡和舊金山等城市進行為期18 d的城市橋梁建設專題考察,學習和借鑒美國在城市橋梁建設的相關情況和成熟經驗,并與美國的同行們進行了交流,了解了美國在城市橋梁設計、建設和管理方面的相關情況,對其城市橋梁建設的有了總體印象。

眾所周知,城市橋梁通常指城區范圍內建造的跨河、跨江、跨海橋梁、立交橋梁及人行天橋等。筆者于2007年3月發表“美國城市道路及橋梁工程考察的回顧和思考(2)”［1］,較詳細地介紹了美國一般城市橋梁設計的特點、美國的橋梁抗震和橋梁構造等。而提起美國的橋梁,不能不提起猶太州的彩虹拱橋。在大自然鬼斧神工的創造中,美國猶太州彩虹拱橋(Utah Rainbow Arch Bridge)確實令世人感嘆,這座據說是世界上己知的最大天然橋,橫跨在美國猶太州紅巖沙漠區的峽谷之上,橋長94 m,橋頂寬10 m。這座奇特的天然拱橋,優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 美國猶太州彩虹拱橋實景

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

1 美國的懸索橋

如眾所知,現代懸索橋的建設反映了一個國家的綜合實力和建橋水平,而懸索橋的基本構造通常由主塔、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,美國已建的大多數城市大跨徑橋梁其結構型式尤以懸索橋為主。而這些美式懸索橋有四個特點:一是結構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,被譽為近代橋梁工程的一項奇跡。大橋位于美國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年英國探險家弗朗西斯·德雷克發現,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。大橋的結構型式為懸索橋,鋼塔之間的跨度為1 280 m,系當時世界所建大橋中最大的單孔長跨距。鋼塔聳立在大橋南北兩側,高342 m,其中高出水面部分為227 m,相當于一座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,鋼纜中點下垂,幾乎接近橋身,鋼纜和橋身之間用一根根細鋼繩連接起來。鋼纜兩端伸延到岸上錨定于巖石中。大橋橋體憑借橋兩側兩根鋼纜所產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,大型船只也能暢通無阻。金門大橋包括從鋼塔兩端延伸出去的部分,全長達2 000 m,為此,又分別在兩側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。大橋的設計者是工程師約瑟夫·斯特勞斯,人們為紀念他對美國作出的貢獻,把他的全身銅像安放在橋畔。銅像形象生動,神情自若。金門大橋于1933年動工, 1937年5月竣工,用了4 a時間和10萬t鋼材,耗資達3 550萬美元。整個大橋造型宏偉壯觀、樸素無華。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,吸引著無數的游客。自大橋建成以來的五十多年間,從金門大橋上跳海自殺者已超過千人。為了防止在金門大橋上再發生投海自殺的現象,當地警察部門應用了現代化設備——閉路電視,實行“自殺監視”。盡管如此,自殺現象仍未能消除。因此,這座大橋在使人贊嘆的同時,又引起游人新的思考(見圖2、圖3)

圖2 著名的金門大橋實景一

圖3 著名的金門大橋實景二

1.2 喬治華盛頓大橋

喬治華盛頓大橋是美國第四座最長的懸索橋,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),這是當年建成時的世界上最長的大橋。這座雙層大橋于1927年10月動工,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個車道。此外,大橋上層道路兩側還設置了人行道。橋上的車速限制為45 mile/h(70 km/h),但由于交通擁堵經常難以達到這樣的速度,特別是在早晚交通高峰時段進出紐約市更是如此。大橋最初命名為“哈德遜河大橋(Hudson River Bridge)”,后為紀念第一位美國總統喬治·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號州際公路、美國國道1號、美國國道9號、美國國道46號等重要高速公路均途經此處。據統計, 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 喬治華盛頓大橋實景一

圖5 喬治華盛頓大橋實景二

圖6 喬治華盛頓大橋實景三

圖7 喬治華盛頓大橋實景四

1.3 紐約布魯克林大橋

美國紐約的布魯克林大橋(Brooklyn Bridge),是紐約著名的標志性建筑之一， 位于紐約的布魯克林區。橋梁的結構型式為懸索橋,總長度為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。當時所采用的體系為高次超靜定體系,每一根拉索都是贅余構件,為此在無法進行計算分析的情況下,只能規定力在構件之間分配。這座大橋從1867年開始建造，歷時16 a,到1883年建成。它橫跨紐約的東河,連接著布魯克林區和曼哈頓島。其87 m的高橋墩,是當時紐約最高建筑物之一。橋身由上萬根鋼索吊起，是當時世界上最長的懸索橋,也是世界上首次以鋼材建造的大橋,落成時被認為是繼世界古代七大奇跡之后的第八大奇跡,亦被譽為工業革命時代全世界七個劃時代的建筑工程奇跡之一。如今,每天從橋上經過的車輛約14萬veh。當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,可說是紐約旅游的最亮點。紐約布魯克林大橋的設計者,是一位德國移民約翰·羅布林。該大橋投入了2 500萬美元的資金,它已成為紐約市天際線不可或缺的一部分,而當時紐約的三大市標為帝國大廈、自由女神像和布魯克林大橋。這座大橋1964年成為了美國國家歷史地標。而其良好的抗風性能,為懸索橋向更大跨度發展開創了先例(見圖8～圖11)。

圖8 紐約布魯克林大橋實景一

圖9 紐約布魯克林大橋實景二

圖10 紐約布魯克林大橋實景三

圖11 紐約布魯克林大橋實景四

1.4 科羅拉多州皇家峽谷大橋

美國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,大橋的結構型式為懸索橋,主跨為384 m(1 260 ft),1929年在6個月內即由行業生手建成通車。這座大橋的橋面高出水平面321 m(1 053 ft),為當時世界最高的懸索橋,并被評為世界上十座最美的橋梁之一。當車輛行駛在這座千英尺深淵之上的橋面時,其堅固的橋身及精心設計的橋塔可承受繁忙的車輛在橋面行駛。同時,科羅拉多州佳能市(Canon City,Colorado)在大橋附近設立了一個旅游景點,即占地1.5 km2(360 acre)的主題公園,來自世界上不同膚色的人們,面對褐紅色的巖石和世界第一高橋,在此地蹦級,挑戰極限,被堪稱一絕(見圖12)。

圖12 科羅拉多州皇家峽谷大橋實景

1.5 匹斯堡第十街南大橋

匹茲堡市位于美國賓夕法尼亞州的西北部,是一個古老的工業城市。給人們印象最深的是,這里三江匯集,群山環抱,三條大的河流交叉流過市區,是美國最早和最著名的鋼鐵基地。該市有數以百計的城市道路(有很多是高速公路),像蜘蛛網一樣貫穿到城市的每一個角落,且有28座風格不一的鋼結構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。匹茲堡市跨越莫農加希拉河的絕大多數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,是一座橫跨莫農加希拉河的懸索橋,橋面為4車道的道路,橋梁總長度為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,唯一選用懸索結構的橋梁。這座橋梁令人印象深刻,從遠處眺望,其懸索橋的橋塔設計和米黃色橋身,美觀和舒展,早已成為當地的一景和地標性的建筑(見圖13、圖14)。

圖13 匹茲堡第十街大橋實景一

圖14 匹茲堡第十街大橋實景二

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),總長度為2 470 m(8 100 ft),如此長的跨度給設計帶來了很多問題,最終采用兩個獨立懸索橋對接的形式。兩個主跨均是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,中間開鑿隧道通過金銀島(Yerba Buena Island)。大橋西側長2.8 km,東側長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個車道,橋上的照明系統使得海灣大橋在夜晚顯得特別美麗。連結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,于是經幾年的計劃,在2002 年原橋旁動工重新建造一座耐強震新橋。從遠處眺望這座大橋,舒展的橋型和深灰色的橋身,與周圍的景色融為一體,早已成為當地地標式的建筑物(見圖15、圖16)。

圖15 美國圣弗郎西斯科海灣大橋實景一

圖16 美國圣弗郎西斯科海灣大橋實景二

2 美國的拱式橋梁

在現代橋梁建設中,由于斜拉橋等新橋型的出現,現代鋼拱橋的跨度同近代相比沒有突破性的發展,但由于正交異性板鋼橋面、鋼箱梁和鋼橋連接技術的新發展,鋼拱橋在技術方面有了諸多創新,出現了尼爾森體系、提籃拱橋和大跨徑的拱梁組合體系。下面介紹美國三座有代表性的拱式橋梁。

2.1 弗里蒙特橋

1973年美國建成美國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,其中間兩支點均采用鉸支承，為有推力結構,跨度為137.7+382.6+137.7(m)。大橋為雙層橋面,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構,懸臂安裝施工。這座橋系建成時是世界上最大的拱式橋梁(1997年建成的我國重慶萬縣長江橋, 420 m,系世界上最大的鋼桁架拱橋)。當初,在方案設計時,弗里蒙特橋在美學造型既要與風景秀麗威拉米特河兩岸的風光相協調,又要滿足結構受力的要求。在這種情況下,其半拱的橋兩端的橋墩提出終止細長之上,地面基礎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,整個系桿拱凈重6 000t,從遠處望去,大橋顯得通透、協調和美觀大方(見圖17)。

圖17 弗里蒙特橋大橋實景

2.2 匹茲堡伯明翰大橋

美國匹茲堡伯明翰大橋(The Birmingham Bridge),是一座鋼結構系桿拱橋,建于1976年。該橋位于美國賓夕法尼亞州著名鋼城匹茲堡,跨莫農加希拉河。圖18系筆者在匹茲堡莫農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,橋墩實體矩形型;其余邊孔為鋼板梁,橋墩為預制方形橋墩。該橋修建于20世紀70年代中期。這座橋梁的特點有三個:一是受力明確,結構安全,能滿足橋梁結構的安全性和耐久性要求。二是橋梁體量適度,外形輕巧;從遠處看,比例協調,能與周圍的景色融為一體。三是十分經濟,維護費用少,鋼系桿拱結構經三十多年的運行,至今仍運行良好。

圖18 匹茲堡伯明翰大橋實景

2.3 美國新河喬治橋

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,系當時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重慶朝天門長江大橋——主跨為552 m的鋼桁連續系桿拱橋),橋面寬度22 m,橋面距河水高度為267 m。原設計有懸索橋、桁梁和鋼拱三個方案,經綜合比選,如橋墩高度、外形美觀、建筑費用及懸臂安裝的難易程度等因素,最終選用鋼拱結構。其上承桁梁為連續結構,其中兩聯用于引橋,中間一聯在主橋拱上。而引橋結構用建于山坡上的焊接鋼箱形柱做排架支承。這座橋梁全長924 m,路面由高5.49 m的上承桁梁支承,其上承桁梁為連續結構,其中兩聯用于兩端引橋,中間一聯在主橋拱上。這座氣勢宏偉的大橋,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 美國新河喬治橋實景一

圖20 美國新河喬治橋實景二

3 美國的現代斜拉橋

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性能和經濟指標,已成為大跨度橋梁最主要橋型,在跨徑200～800 m的范圍內占據著優勢,在跨徑800～1 100 m特大跨徑橋梁角逐競爭中,斜拉橋將扮演重要角色。在考察中發現,美國主要是以混凝土斜拉橋為主,其不采用鋼斜拉橋的主要原因是因為鋼焊接工作量大,需較多的勞動力,且養護工作量大,無法與混凝土斜拉橋競爭。

3.1 斯蒂爾沃特斜拉橋

斯蒂爾沃特斜拉橋(Stillwater Cablestayed Bridge),系美國正在興建的一座橋梁,位于明尼蘇達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州36號高速公路(MN-36)及威斯康星州64號高速公路(WI-64)的一座重要跨河橋梁。該大橋全長約918 m (3 010 ft),其結構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、對稱、均勻、有節奏和韻律感,這座大橋于2014年建成(見圖21、圖22)。

圖21 斯蒂爾沃特斜拉橋實景一

圖22 斯蒂爾沃特斜拉橋實景二

3.2 陽光高架斜拉橋

陽光高架橋(Sunshine Skyway Bridge)座落于美國佛羅里達州的坦帕灣上,全長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。大橋的結構形式為獨塔斜拉橋,其主跨為366 m(1 200 ft),高出水面58.8 m(193 ft),系當時是世界上最長的混凝土斜拉橋,工程總耗資為2.4億美元。這座大橋,主要是連接美國連接佛羅里達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9 ft直徑的鋼管斜拉于橋身雙向行車帶間的中央隔離區上,支撐起300余件預制混凝土構件組成的整體結構。這種設計手法可使車輛的駕駛員毫無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州(佛州亦被稱為陽光州),該橋優美的外形與炫目的色彩自建成之后即為其贏得盛譽。美國將陽光高架橋列為世界十大橋梁中的第三位,并評價其為佛羅里達州的地標(見圖23、圖24)。

圖23 陽光高架斜拉橋實景一

圖24 陽光高架斜拉橋實景二

3.3 西德尼拉尼爾橋

西德尼拉尼爾橋位于美國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不倫瑞克港,這座斜拉橋的主跨為381 m,兩個邊跨均為190.5 m,全長2 651.424 m,建成時間為2001年。大橋為雙向4車道，每車道4.09 m寬,中間設有中央分隔帶。這座大橋的最高的橋墩支撐于直徑為4 ft(大約1.36 m)的鉆孔灌注樁基礎上。選擇這種基礎是因為在軟弱硬臥層覆蓋的巖床上放置打入樁基礎(見圖25)。

圖25 西德尼拉尼爾橋實景

4 新世紀兩座具有創新理念的大跨徑橋梁

進入21世紀以來美國又興建了以新海灣大橋和胡佛大橋為代表的,具有創新理念的大跨徑橋梁。

4.1 具有創新理念的美國新海灣大橋

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、而且造價昂貴。自錨式懸索橋的特點為:(1)在外形結構上,取消了其它懸索橋兩端大體積錨錠混凝土,節省了占地面積。(2)在受力結構上,利用橋梁橋面系來平衡主纜的水平拉力,懸索部分和鋼箱梁自成體系形式,上部結構中的恒載和活載通過自錨體系傳力至索塔,再傳至索塔基礎。(3)在施工步驟上,其它懸索橋先施工主纜,然后再進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,故先進行鋼箱梁的施工,再安裝主纜。(4)在施工監測監控上,自錨式懸索橋要求精度較其它懸索橋高,鋼箱梁拼裝、主纜安裝調整、索夾和吊桿的安裝調整、索塔的偏位變形等都應在監控之下,使橋梁時刻處在良好的施工控制狀態和操作狀態。

正在興建中的美國新海灣大橋是世界上最大的單塔自錨懸索橋,將成為美國西岸新的標志性建筑物,系迄今為止世界上最昂貴、最美麗、能抗地震、技術含量最高、壽命最長(100 a以上)的橋梁。這座大橋座位于美國舊金山灣,將是今后進入美國西岸舊金山市的標志景觀,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,現帶病工作),設計和制造難度均很大。這座大橋是美國加州政府項目,作為世界第一單塔自錨抗震懸索鋼結構橋梁,該橋梁由著名林同炎國際顧問公司設計,是世界同類鋼結構橋梁中技術難度最高、造價最貴的鋼橋項目,能抵抗8級地震。經過角逐,我國上海振華重工(ZPMC)獲得了制造美國舊金山新海灣大橋全部鋼結構共4.5萬t工程。該橋梁項目的鋼塔和橋梁全部鋼結構由上海振華重工承建,這也是中國企業首次承擔如此大規模的復雜鋼構橋梁的建造項目,包括大橋的鋼橋、鋼塔、浮吊等,總標的額為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。這座大橋的創新點為:

(1)懸索橋鋼塔的高度為148 m,1.3萬t的單塔柱支撐全橋重量7萬t(包括鋼構4.3萬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,最大板厚達到100 m。其制作難點在于每段重量重、結構形式復雜,厚板焊接難度高,并對塔的垂直度的要求非常嚴格。

(2)橋面的鋼箱梁總長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系梁組成,采用栓焊結構,總重量約為3萬t。將這批質量要求極高的鋼構全部交給我國的公司承造,在美國橋鋼梁建造史上是第一次。它標志著世界橋梁制造的中國世紀已經拉開帷幕。

(3)纜索與大地不發生關系,自錨在橋梁端部,因而有極強的抗震性,設計抗震8級為世界橋梁抗震之首。

(4)橋面寬達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30萬pcu,是舊金山與奧克蘭之間不可或缺的關鍵通道,即便再發生強烈地震也不允許中斷交通,而其橋面的機動車通行能力為世界橋梁之首。

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

圖26 美國新海灣大橋效果圖一

圖27 美國新海灣大橋效果圖二

4.2 美國新世紀的代表作——胡佛大橋

21世紀美國標志性的建筑——胡佛大壩上新建起一座胡佛大橋,橫跨科羅拉多河,連接著美國的內華達州和和亞利桑那州,這是地球上最新的超級建筑。這座大橋,系美國建設的第一座鋼筋混凝土組合拱橋,由林同炎國際顧問公司設計。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構,其329 m的主跨度為世界之最,橋梁總長度為579 m,大橋設有4條車道,造價約合16.7億人民幣。經過12 a的計劃和歷時5 a的建設,大橋于2010年9月份竣工,建成后,每日可通過大小車輛17 000 veh。這座大橋共使用七百多米長的高空纜繩架起的起重系統進行吊裝,造型優美的橋拱由106塊鋼筋混凝土預制件拼合而成,每一塊長7.3 m。作為美國第一座鋼-混凝土復合拱橋(全橋混凝土拱肋由內部的鋼材加固,形成了由鋼材-混凝土構成的復合材料),大橋的設計風格與索納米德人工湖的胡佛大壩相得益彰。這座21世紀第十年建成的大橋,不愧為美國新世紀的杰出橋梁代表作(見圖28、圖29)。

圖28 胡佛大橋實景

圖29 胡佛大橋建設中的實景

5 美國城市橋梁的倒塌案例

在考察中,還對美國近年來發生的城市橋梁倒塌案例進行了調研,其大致情況如下。

5.1 明尼蘇達高速公路橋梁

2007年8月1日美國明尼蘇達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,數十人受傷,引起全世界的震驚。經排查排除了恐怖襲擊的可能,系一起橋梁結構性垮塌事故。該大橋修建于1967年,橋梁為鋼結構拱橋,橋面距河面約20 m,橋長為589 m。該橋2005年和2006年分別接受交通部門的檢查,均未發現問題。但2001年由明尼蘇達州交通部門的研究成果表明,大橋連接路堤河主橋的引橋“存在老化問題”。支撐橋梁的主結構桁架也存在“老化問題”,研究顯示:按大橋的桁架設計理論,如果大橋一道兩個支撐面斷裂,則大橋有可能垮塌。但十分遺憾的是,最終的結論為:“大橋上承式桁架不可能發生老化斷裂,大橋可以延后報廢”。如果當初下結論時更慎重些,是否可以避免上述災難的發生呢?這究竟是屬于橋梁風險評價中的不可抗力,還是運營階段出現失誤而出現的案例尚需人們去思考(見圖30)。

圖30 美國明尼蘇達高速公路橋梁倒塌現場實景

5.2 加利福尼亞一座在建的立交橋發生坍塌事故

2007年8月1日,美國加利福尼亞一座在建的立交橋突然發生坍塌事故,至少有1 veh汽車被掩埋在廢墟下面。汽車內的司機被救出,但傷勢嚴重。另一名立交橋的建設者在這次事故中受重傷。據美國加州交通部門發言人表示,事故大約發生在當地時間早上7點30分,有數輛汽車被掩埋在廢墟下。立交橋坍塌事故將不會對工程本身造成太大影響。美國各界人士對此極為關注,究其原因主要是施工中的排架失穩引起的橋梁倒塌(見圖31)。

5.3 近年來美國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生坍塌事故現場實景

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

又如,美國某城市橋梁修建于1998年， 主梁為預應力混凝土箱梁；,橋墩蓋梁采用鋼結構,也是在交通高峰時發生橋梁坍塌。調查表明,雖然事故發生造成上部梁體坍落時的沖擊，但卻損壞不嚴重。通過進行一些簡單的修復,并在梁底增加新的支撐,即恢復了交通。

再如,2006年,在康涅狄格州布里奇波特也發生了一起因油罐車起火而引發橋梁倒塌的事故。這座城市橋梁也是預應力鋼筋混凝土連續梁橋。在該事故中,油罐車將橋面板下的鋼主梁在高溫下軟化,導致橋梁嚴重下撓,并造成嚴重的火災(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重。

圖32 美國某城市橋梁發生火災后的事故現場實景

綜上所述,近40 a來,美國歷史上曾發生一系列橋梁倒塌事故,造成了重大的社會影響。通過考察,了解到,前些年美國還沒有一個對橋梁倒塌事故進行詳細記錄的數據庫。經FHWA對2000-2008 年美國發生的橋梁倒塌事故進行統計分析,這期間美國共發生16 起橋梁倒塌案例,而引發橋梁倒塌的原因大致可分為6大類,分別為:設計失誤、構造尺寸不當、施工失誤、材料質量低下、養護不足和外部誘因。根據這些原因,把2000-2008 年美國發生的16 起橋梁倒塌事故進一步分類。引發橋梁倒塌的原因涵蓋了設計與施工失誤、養護不足和外部誘因。其中外部誘因 ( 10例， 占62. 5% )是導致橋梁倒塌的主要原因。在其統計結果中， 約83% 的倒塌事故都是由外因誘發的,這與1989-2000 年美國橋梁倒塌原因總結的規律較為接近。

6 相關啟示和建議

從上述介紹美國不同結構型式的經典城市大跨徑橋梁、具有創新理念的新世紀兩座大跨徑橋梁、美國城市橋梁的倒塌案例及相關啟示,可得出以下8點啟示和建議。

(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。本文所介紹的美國經典的城市大跨徑橋梁都以其鮮明的形象、強烈的藝術感染力,反映了時代特征和獨特的結構特征及橋梁建筑美學的功力,也給當地帶來了獨特的藝術魅力。譬如美國紐約州華盛頓堡附近的幾座經典橋梁。因此,橋梁建筑不僅要表現出結構上的穩定連續、強勁穩固的力感和跨越能力,而且要有美的形態與內涵,內容和形式的高度統一,才能顯示出不朽的生命力。這一點對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構選型方面,美國人順應了世界橋梁結構的發展趨勢,呈現了很強的創新意識和實用功能。在近100 a間,美國人建造了許多現代大跨徑城市橋梁,其特點主要呈現以下兩個特點:一是在結構選型上因地制宜,主要是懸索結構,同時又有斜拉結構和拱式結構,還有梁式結構,結構選型以發揮該種結構的綜合力學優勢為主;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,而是將創新性、耐久性和經濟性統籌考慮和綜合確定。這兩個方面的成功經驗在我國當前大規模興建橋梁工程的今天,的確值得大家深入思考和借鑒。

(3)在城市橋梁的設防上,我們所考察的美國海上大跨徑橋梁,由于所處地域自然環境的不同,有的橋梁橋墩設計在構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。結構一旦遭到撞擊,他們有一套快速修復系統在最短時間里修復結構。在城市橋梁跨線橋的設防上,所有橋梁未設防撞角鋼、防撞門架,也未見橋梁有刮蹭、被撞破壞現象。一是汽車制造廠都高度嚴格地按國家標準生產出廠,未有私自改裝加高等現象;二是橋梁凈空盡量按高標準設計,凈空高度沒有劃分成很多種類型。這些亦是我們應對比和思考的。

(4)在橋梁結構防腐蝕和橋梁鋼材防腐設計觀念上,美國人反對使用環氧涂層鋼筋,認為環氧涂層會降低鋼筋與混凝土之間的握裹力,使得這兩種材料的互補優勢無法發揮出來以致降低了材料使用效率。因此,他們主張通過改進混凝土本身的材性來提高結構的耐久性標準。同時他們在橋梁結構的耐久性方面也采取了許多技術措施和管理措施,也值得我們借鑒。

(5)在橋梁防災減災和對意外事故的防范措施上,針對因外部誘因( 如船撞、火災、颶風、地震等) 而倒塌的橋梁占倒塌橋梁總數的62. 5% ,而這些外部誘因又是導致橋梁倒塌的主要原因,美國的相關規范對橋梁抗震的設防有十分明確的規定,并且各州均有抗震設計規范。因此,在橋墩防撞、颶風、火災等問題上,他們注重從技術法規和具體做法上對設計、施工環節提出明確的要求。這一點,結合我國當前的實際情況,的確值得學習和借鑒,以盡快填補我國在此方面的空白和不足。

(6)通過此次考察,我們深感,美國人對耐久性問題的重視,美國的鋼橋數量也比我國要多很多。從美國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題側重點不一樣， 但問題仍很突出。鋼橋存在著鋼材腐蝕、疲勞、低溫脆斷和耐火性差等問題;而混凝土橋梁則存在鋼筋腐蝕、混凝土劣化等現象。目前在我國橋梁工程特別是城市橋梁,前些年對提高耐久性的意識還不強,規范中相應措施的可操作性還不完善，,研究與實踐均需要加強。因此,在“十二五”期間,需專題研究并盡快將研究成果應用于實際橋梁工程建設中。

(7)城市橋梁的檢測、評估工作十分重要,但從以往的橋梁的抗力隨服役時間的增長而逐漸退化的事實來看,實際運營中對橋梁的服役要求卻在不斷提高,美國16起橋梁倒塌事故中， 13起都是在橋梁運營過程中發生的。因此， 橋梁運營時間越長， 發生倒塌的可能性也越大。我們對數以萬計的在役橋梁， 如何從管理和技術的角度進行有效的檢測和評估， 對于今后防范橋梁倒塌事故極為重要。因此,我們應加強這方面的工作。

(8)當前我國在進入21世紀第二個十年,以青島海灣大橋和港珠澳大橋為代表的特大型橋梁工程,以及祖國各地城市化進程中必將興建一大批城市橋梁,我們不僅成為橋梁建設大國,更應成為橋梁建設強國,應將橋梁建設中的創新性、耐久性和經濟性有機地融合在一起,更好、更快地進行橋梁工程建設,不斷推動祖國現代化進程!

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

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1009-7716(2015)03-0036-10

2014-08-13

穆祥純(1955-),男,北京人,教授級高級工程師,副總經理,從事橋梁工程設計、城市交通研究及技術管理工作。