美国城市大跨径桥梁建设撷英

穆祥纯

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京市 100082)

美国城市大跨径桥梁建设撷英

穆祥纯

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京市 100082)

前几年,笔者在考察美国期间,对纽约、匹兹堡和旧金山等地城市桥梁建设的总体印象和对悬索桥、拱式桥、斜拉桥等分类情况,以及近年来美国城市桥梁倒塌的情况作了调研,现将考察的相关启示和建议作一介绍,为国内同行们提供有借鉴意义的资料,以期促进我国城市桥梁建设的健康发展。

考察;美国;城市桥梁;桥梁建设;相关启示

0 引言

前些年,笔者曾赴美国的纽约、华盛顿、圣路易斯、丹佛、匹兹堡和旧金山等城市进行为期18 d的城市桥梁建设专题考察,学习和借鉴美国在城市桥梁建设的相关情况和成熟经验,并与美国的同行们进行了交流,了解了美国在城市桥梁设计、建设和管理方面的相关情况,对其城市桥梁建设的有了总体印象。

众所周知,城市桥梁通常指城区范围内建造的跨河、跨江、跨海桥梁、立交桥梁及人行天桥等。笔者于2007年3月发表“美国城市道路及桥梁工程考察的回顾和思考(2)”［1］,较详细地介绍了美国一般城市桥梁设计的特点、美国的桥梁抗震和桥梁构造等。而提起美国的桥梁,不能不提起犹太州的彩虹拱桥。在大自然鬼斧神工的创造中,美国犹太州彩虹拱桥(Utah Rainbow Arch Bridge)确实令世人感叹,这座据说是世界上己知的最大天然桥,横跨在美国犹太州红岩沙漠区的峡谷之上,桥长94 m,桥顶宽10 m。这座奇特的天然拱桥,优美的桥型和褐红色的桥身,令到访的人们流连忘返(见图1)。

图1 美国犹太州彩虹拱桥实景

本文主要介绍美国经典的城市大跨径桥梁(悬索桥、拱式桥和斜拉桥)、具有创新理念的两座新世纪大跨径桥梁、美国城市桥梁的倒塌案例分析及相关启示和建议。

1 美国的悬索桥

如众所知,现代悬索桥的建设反映了一个国家的综合实力和建桥水平,而悬索桥的基本构造通常由主塔、锚锭、主缆、吊索、加劲梁及鞍索等主要部分所组成。在考察中,笔者总体感觉,美国已建的大多数城市大跨径桥梁其结构型式尤以悬索桥为主。而这些美式悬索桥有四个特点:一是结构体系一般是三跨两铰式;二是大缆一般是空中送丝;三是桥塔后来均为钢塔;四是加劲梁均为桁架式,桥面使用厚重的混凝土板,并在加劲梁架设中采用了梁段提升法。

1.1 著名的旧金山金门大桥

旧金山金门大桥是世界最著名的大桥之一,被誉为近代桥梁工程的一项奇迹。大桥位于美国加利福尼亚州宽一千九百多米的金门海峡之上。金门海峡为旧金山海湾入口处,两岸陡峻,航道水深。历史上,为1579年英国探险家弗朗西斯·德雷克发现,并由他命名。金门大桥的北端连接北加利福尼亚,南端连接旧金山半岛。大桥的结构型式为悬索桥,钢塔之间的跨度为1 280 m,系当时世界所建大桥中最大的单孔长跨距。钢塔耸立在大桥南北两侧,高342 m,其中高出水面部分为227 m,相当于一座70层高的建筑物。塔的顶端用两根直径各为92.7 cm、重2.45 t的钢缆相连,钢缆中点下垂,几乎接近桥身,钢缆和桥身之间用一根根细钢绳连接起来。钢缆两端伸延到岸上锚定于岩石中。大桥桥体凭借桥两侧两根钢缆所产生的巨大拉力高悬在半空之中。从海面到桥中心部的高度约60 m,即使海水涨潮时,大型船只也能畅通无阻。金门大桥包括从钢塔两端延伸出去的部分,全长达2 000 m,为此,又分别在两侧修建了两座辅助钢塔,使桥形更加壮观。大桥的桥面宽27.4 m,有6条车行道和两条宽敞的人行道。大桥的设计者是工程师约瑟夫·斯特劳斯,人们为纪念他对美国作出的贡献,把他的全身铜像安放在桥畔。铜像形象生动,神情自若。金门大桥于1933年动工, 1937年5月竣工,用了4 a时间和10万t钢材,耗资达3 550万美元。整个大桥造型宏伟壮观、朴素无华。桥身呈硃红色,横卧于碧海白浪之上,华灯初放,如巨龙凌空,使旧金山市的夜空景色更见壮丽。金门大桥是旧金山的象征,它以雄伟磅礴的气势,吸引着无数的游客。自大桥建成以来的五十多年间,从金门大桥上跳海自杀者已超过千人。为了防止在金门大桥上再发生投海自杀的现象,当地警察部门应用了现代化设备——闭路电视,实行“自杀监视”。尽管如此,自杀现象仍未能消除。因此,这座大桥在使人赞叹的同时,又引起游人新的思考(见图2、图3)

图2 著名的金门大桥实景一

图3 著名的金门大桥实景二

1.2 乔治华盛顿大桥

乔治华盛顿大桥是美国第四座最长的悬索桥,大桥位于纽约州华盛顿堡(Fort Washington, New York)和新泽西州李堡(Fort Lee,New Jersey)的附近。该桥的主跨为1 067 m(3 500 ft),这是当年建成时的世界上最长的大桥。这座双层大桥于1927年10月动工,并于1931年10月24日举行了上层桥梁的通车通车典礼,而下层通车日期是1962年8月29日。它包括双层桥面——上层为双向8车道,下层为双向6车道,共14个车道。此外,大桥上层道路两侧还设置了人行道。桥上的车速限制为45 mile/h(70 km/h),但由于交通拥堵经常难以达到这样的速度,特别是在早晚交通高峰时段进出纽约市更是如此。大桥最初命名为“哈德逊河大桥(Hudson River Bridge)”,后为纪念第一位美国总统乔治·华盛顿(George Washington)而重新命名。这座大桥系纽约市的一条重要交通要道,95号州际公路、美国国道1号、美国国道9号、美国国道46号等重要高速公路均途经此处。据统计, 2007年该大桥年通行量为147 912 000 pcu,日均车流量为295 649 pcu。乔治华盛顿大桥,目前被认为是世界上车流量最大、最繁忙的桥梁(见图4～图7)。

图4 乔治华盛顿大桥实景一

图5 乔治华盛顿大桥实景二

图6 乔治华盛顿大桥实景三

图7 乔治华盛顿大桥实景四

1.3 纽约布鲁克林大桥

美国纽约的布鲁克林大桥(Brooklyn Bridge),是纽约著名的标志性建筑之一， 位于纽约的布鲁克林区。桥梁的结构型式为悬索桥,总长度为1 825 m (5 989 ft),最大宽度为26 m (85 ft) ,距水面距离的距离为41 m (135 ft)。大桥采用的建筑材料主要为钢索和石桥墩。该桥第一次使用了钢丝主缆,孔径布置为(284+486+284)m,4根直径390 mm的主缆,主梁高5.2 m。当时所采用的体系为高次超静定体系,每一根拉索都是赘余构件,为此在无法进行计算分析的情况下,只能规定力在构件之间分配。这座大桥从1867年开始建造，历时16 a,到1883年建成。它横跨纽约的东河,连接着布鲁克林区和曼哈顿岛。其87 m的高桥墩,是当时纽约最高建筑物之一。桥身由上万根钢索吊起，是当时世界上最长的悬索桥,也是世界上首次以钢材建造的大桥,落成时被认为是继世界古代七大奇迹之后的第八大奇迹,亦被誉为工业革命时代全世界七个划时代的建筑工程奇迹之一。如今,每天从桥上经过的车辆约14万veh。当人们从布鲁克林沿着林荫道步行,可以观赏曼哈顿的高层建筑及美丽的街景,可说是纽约旅游的最亮点。纽约布鲁克林大桥的设计者,是一位德国移民约翰·罗布林。该大桥投入了2 500万美元的资金,它已成为纽约市天际线不可或缺的一部分,而当时纽约的三大市标为帝国大厦、自由女神像和布鲁克林大桥。这座大桥1964年成为了美国国家历史地标。而其良好的抗风性能,为悬索桥向更大跨度发展开创了先例(见图8～图11)。

图8 纽约布鲁克林大桥实景一

图9 纽约布鲁克林大桥实景二

图10 纽约布鲁克林大桥实景三

图11 纽约布鲁克林大桥实景四

1.4 科罗拉多州皇家峡谷大桥

美国科罗拉多州皇家峡谷大桥(Royal Gorge Bridge),位于阿肯色河上的皇家大峡谷,大桥的结构型式为悬索桥,主跨为384 m(1 260 ft),1929年在6个月内即由行业生手建成通车。这座大桥的桥面高出水平面321 m(1 053 ft),为当时世界最高的悬索桥,并被评为世界上十座最美的桥梁之一。当车辆行驶在这座千英尺深渊之上的桥面时,其坚固的桥身及精心设计的桥塔可承受繁忙的车辆在桥面行驶。同时,科罗拉多州佳能市(Canon City,Colorado)在大桥附近设立了一个旅游景点,即占地1.5 km2(360 acre)的主题公园,来自世界上不同肤色的人们,面对褐红色的岩石和世界第一高桥,在此地蹦级,挑战极限,被堪称一绝(见图12)。

图12 科罗拉多州皇家峡谷大桥实景

1.5 匹斯堡第十街南大桥

匹兹堡市位于美国宾夕法尼亚州的西北部,是一个古老的工业城市。给人们印象最深的是,这里三江汇集,群山环抱,三条大的河流交叉流过市区,是美国最早和最著名的钢铁基地。该市有数以百计的城市道路(有很多是高速公路),像蜘蛛网一样贯穿到城市的每一个角落,且有28座风格不一的钢结构桥梁连接着这座古老而又美丽的山城。这里的交通十分方便,由于地处丘陵地带,除了市中心有几条较笔直的马路以外,全是枝杈型的,很难辨别方向。匹兹堡市跨越莫农加希拉河的绝大多数桥梁为悬索桥或拱式桥。

匹兹堡第十街南大桥,通常被称为匹兹堡第十街大桥,其正式名称为菲美利桥,是一座横跨莫农加希拉河的悬索桥,桥面为4车道的道路,桥梁总长度为389 m(1 275 ft),悬索桥的主跨为221 m (725 ft),建于1933年。这座桥梁连接南第十街南口到第二大道和阿姆斯特朗隧道。这座桥采用了一次穿越莫农加希拉河跨度的桥梁,也是匹兹堡大河流建造的三座大型桥梁中,唯一选用悬索结构的桥梁。这座桥梁令人印象深刻,从远处眺望,其悬索桥的桥塔设计和米黄色桥身,美观和舒展,早已成为当地的一景和地标性的建筑(见图13、图14)。

图13 匹兹堡第十街大桥实景一

图14 匹兹堡第十街大桥实景二

1.6 圣弗郎西斯科海湾大桥

圣弗郎西斯科海湾大桥(San Francisco-Oakland Bay Bridge),总长度为2 470 m(8 100 ft),如此长的跨度给设计带来了很多问题,最终采用两个独立悬索桥对接的形式。两个主跨均是704 m(2 310 ft)。该海湾大桥横跨旧金山湾,连接旧金山与奥克兰两个大城市,于1933 年开始兴建,1936 年11月完工通车。海湾大桥分为东西两侧,中间开凿隧道通过金银岛(Yerba Buena Island)。大桥西侧长2.8 km,东侧长3.1 km,分为上下两层车道,上层往旧金山,下层往奥克兰。旧金山市与金银岛的部分,是由4座钢铁桥塔支撑着上下两层各5个车道,桥上的照明系统使得海湾大桥在夜晚显得特别美丽。连结旧金山与奥克兰的海湾大桥,于 1989 年的大地震中造成某些部份崩塌,于是经几年的计划,在2002 年原桥旁动工重新建造一座耐强震新桥。从远处眺望这座大桥,舒展的桥型和深灰色的桥身,与周围的景色融为一体,早已成为当地地标式的建筑物(见图15、图16)。

图15 美国圣弗郎西斯科海湾大桥实景一

图16 美国圣弗郎西斯科海湾大桥实景二

2 美国的拱式桥梁

在现代桥梁建设中,由于斜拉桥等新桥型的出现,现代钢拱桥的跨度同近代相比没有突破性的发展,但由于正交异性板钢桥面、钢箱梁和钢桥连接技术的新发展,钢拱桥在技术方面有了诸多创新,出现了尼尔森体系、提篮拱桥和大跨径的拱梁组合体系。下面介绍美国三座有代表性的拱式桥梁。

2.1 弗里蒙特桥

1973年美国建成美国俄勒冈的弗里蒙特桥，在俄勒冈州跨越威拉米特河,系世界上第二长的系杆拱桥。其体系为多跨布置的拱、梁组合体系桥,系三跨连续刚性梁柔性的系杆拱桥。该桥的杆件均为矩形箱,其中间两支点均采用铰支承，为有推力结构,跨度为137.7+382.6+137.7(m)。大桥为双层桥面,上层为正交异性板钢桥面,下层为钢筋混凝土桥面。采用正交异性板桥面箱形梁及栓焊结构,悬臂安装施工。这座桥系建成时是世界上最大的拱式桥梁(1997年建成的我国重庆万县长江桥, 420 m,系世界上最大的钢桁架拱桥)。当初,在方案设计时,弗里蒙特桥在美学造型既要与风景秀丽威拉米特河两岸的风光相协调,又要满足结构受力的要求。在这种情况下,其半拱的桥两端的桥墩提出终止细长之上,地面基础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。该大桥的中跨系杆拱的吊索采用钢丝绳,整个系杆拱净重6 000t,从远处望去,大桥显得通透、协调和美观大方(见图17)。

图17 弗里蒙特桥大桥实景

2.2 匹兹堡伯明翰大桥

美国匹兹堡伯明翰大桥(The Birmingham Bridge),是一座钢结构系杆拱桥,建于1976年。该桥位于美国宾夕法尼亚州著名钢城匹兹堡,跨莫农加希拉河。图18系笔者在匹兹堡莫农加希拉河畔上拍摄的一座桥梁。这座大桥主孔为下承式系杆拱桥,主跨径为260 m,桥墩实体矩形型;其余边孔为钢板梁,桥墩为预制方形桥墩。该桥修建于20世纪70年代中期。这座桥梁的特点有三个:一是受力明确,结构安全,能满足桥梁结构的安全性和耐久性要求。二是桥梁体量适度,外形轻巧;从远处看,比例协调,能与周围的景色融为一体。三是十分经济,维护费用少,钢系杆拱结构经三十多年的运行,至今仍运行良好。

图18 匹兹堡伯明翰大桥实景

2.3 美国新河乔治桥

西弗吉尼亚州的新河乔治桥建于1977年跨越新乔治河大峡谷,系当时世界上最大跨度的钢桁架拱桥。该大桥跨度为518.2 m(目前最大跨度为我国重庆朝天门长江大桥——主跨为552 m的钢桁连续系杆拱桥),桥面宽度22 m,桥面距河水高度为267 m。原设计有悬索桥、桁梁和钢拱三个方案,经综合比选,如桥墩高度、外形美观、建筑费用及悬臂安装的难易程度等因素,最终选用钢拱结构。其上承桁梁为连续结构,其中两联用于引桥,中间一联在主桥拱上。而引桥结构用建于山坡上的焊接钢箱形柱做排架支承。这座桥梁全长924 m,路面由高5.49 m的上承桁梁支承,其上承桁梁为连续结构,其中两联用于两端引桥,中间一联在主桥拱上。这座气势宏伟的大桥,跨越山谷之间,显得雄伟和挺拔,系桥梁建筑史上的杰作(见图19、图20)。

图19 美国新河乔治桥实景一

图20 美国新河乔治桥实景二

3 美国的现代斜拉桥

众所周知,斜拉桥作为一种拉索体系,比梁式桥有更大的跨越能力。由于拉索的自锚特性而不需要悬索桥那样巨大锚碇,加之斜拉桥有良好的力学性能和经济指标,已成为大跨度桥梁最主要桥型,在跨径200～800 m的范围内占据着优势,在跨径800～1 100 m特大跨径桥梁角逐竞争中,斜拉桥将扮演重要角色。在考察中发现,美国主要是以混凝土斜拉桥为主,其不采用钢斜拉桥的主要原因是因为钢焊接工作量大,需较多的劳动力,且养护工作量大,无法与混凝土斜拉桥竞争。

3.1 斯蒂尔沃特斜拉桥

斯蒂尔沃特斜拉桥(Stillwater Cablestayed Bridge),系美国正在兴建的一座桥梁,位于明尼苏达州华盛顿郡与威斯康星州圣克罗伊郡之间,跨越圣克罗伊河的桥梁。这座4车道公路大桥距圣克罗伊河与密西西比河(The Mississippi River)交汇处约22.0 mile,建成后将成为明尼苏达州36号高速公路(MN-36)及威斯康星州64号高速公路(WI-64)的一座重要跨河桥梁。该大桥全长约918 m (3 010 ft),其结构形式为多跨矮塔斜拉桥(部分斜拉桥),通航孔航道宽度约152 m(500 ft),通航净空约43 m(140 ft)。全桥外观明朗、轻盈、对称、均匀、有节奏和韵律感,这座大桥于2014年建成(见图21、图22)。

图21 斯蒂尔沃特斜拉桥实景一

图22 斯蒂尔沃特斜拉桥实景二

3.2 阳光高架斜拉桥

阳光高架桥(Sunshine Skyway Bridge)座落于美国佛罗里达州的坦帕湾上,全长29 040 ft(约5.5 mile,8.85 km)。大桥始建于1982年,并于1987年1月11日竣工,4月20日开放通车。大桥的结构形式为独塔斜拉桥,其主跨为366 m(1 200 ft),高出水面58.8 m(193 ft),系当时是世界上最长的混凝土斜拉桥,工程总耗资为2.4亿美元。这座大桥,主要是连接美国连接佛罗里达州的圣彼德堡市与马纳蒂县的palmetto市,并跨穿希尔斯伯勒县的水域。桥塔上的21根钢缆穿过9 ft直径的钢管斜拉于桥身双向行车带间的中央隔离区上,支撑起300余件预制混凝土构件组成的整体结构。这种设计手法可使车辆的驾驶员毫无遮挡地一览海湾美景。兴建此大桥,主要考虑以交通功能和安全性为主。大桥的6个桥墩周围都建造了名叫“海豚”的混凝土障碍岛,足以抵抗高达87 000 t的撞击。桥梁197 ft的高度可以满足坦帕湾繁忙的通航要求。大桥由钢铁与混凝土建造而成。其钢缆外的钢管被别具匠心地涂为亮黄色,以代表其所在地佛罗里达州(佛州亦被称为阳光州),该桥优美的外形与炫目的色彩自建成之后即为其赢得盛誉。美国将阳光高架桥列为世界十大桥梁中的第三位,并评价其为佛罗里达州的地标(见图23、图24)。

图23 阳光高架斜拉桥实景一

图24 阳光高架斜拉桥实景二

3.3 西德尼拉尼尔桥

西德尼拉尼尔桥位于美国佐治亚州东南部的不伦瑞克,系一座三跨双塔双索面的斜拉桥， 是目前佐治亚州最大跨径的桥梁。为便于大型船只通过不伦瑞克港,这座斜拉桥的主跨为381 m,两个边跨均为190.5 m,全长2 651.424 m,建成时间为2001年。大桥为双向4车道，每车道4.09 m宽,中间设有中央分隔带。这座大桥的最高的桥墩支撑于直径为4 ft(大约1.36 m)的钻孔灌注桩基础上。选择这种基础是因为在软弱硬卧层覆盖的岩床上放置打入桩基础(见图25)。

图25 西德尼拉尼尔桥实景

4 新世纪两座具有创新理念的大跨径桥梁

进入21世纪以来美国又兴建了以新海湾大桥和胡佛大桥为代表的,具有创新理念的大跨径桥梁。

4.1 具有创新理念的美国新海湾大桥

众所周知,自锚式悬索桥不同于一般的悬索桥,它的主缆直接锚固在钢箱梁的梁端,由主梁直接承受主缆中的水平压力,主缆的水平拉力由钢箱梁提供轴压力自相平衡,不需要庞大的锚碇,这将给不方便建造锚碇的地方修建悬索桥提供了一种解决方法。而一般自锚式悬索桥的主缆锚固形式采用单塔自锚,因此这种桥梁的施工难度非常高、而且造价昂贵。自锚式悬索桥的特点为:(1)在外形结构上,取消了其它悬索桥两端大体积锚锭混凝土,节省了占地面积。(2)在受力结构上,利用桥梁桥面系来平衡主缆的水平拉力,悬索部分和钢箱梁自成体系形式,上部结构中的恒载和活载通过自锚体系传力至索塔,再传至索塔基础。(3)在施工步骤上,其它悬索桥先施工主缆,然后再进行梁体的安装或浇筑,而自锚式悬索桥由于主缆锚固在主梁两端,故先进行钢箱梁的施工,再安装主缆。(4)在施工监测监控上,自锚式悬索桥要求精度较其它悬索桥高,钢箱梁拼装、主缆安装调整、索夹和吊杆的安装调整、索塔的偏位变形等都应在监控之下,使桥梁时刻处在良好的施工控制状态和操作状态。

正在兴建中的美国新海湾大桥是世界上最大的单塔自锚悬索桥,将成为美国西岸新的标志性建筑物,系迄今为止世界上最昂贵、最美丽、能抗地震、技术含量最高、寿命最长(100 a以上)的桥梁。这座大桥座位于美国旧金山湾,将是今后进入美国西岸旧金山市的标志景观,是世界第一大单塔自锚抗震悬索钢桥,大桥主航悬索桥跨径为565 m,钢塔总高约160 m。但因要求抗震性能高(1998年旧金山地震,老桥受损,现带病工作),设计和制造难度均很大。这座大桥是美国加州政府项目,作为世界第一单塔自锚抗震悬索钢结构桥梁,该桥梁由著名林同炎国际顾问公司设计,是世界同类钢结构桥梁中技术难度最高、造价最贵的钢桥项目,能抵抗8级地震。经过角逐,我国上海振华重工(ZPMC)获得了制造美国旧金山新海湾大桥全部钢结构共4.5万t工程。该桥梁项目的钢塔和桥梁全部钢结构由上海振华重工承建,这也是中国企业首次承担如此大规模的复杂钢构桥梁的建造项目,包括大桥的钢桥、钢塔、浮吊等,总标的额为3亿美元。这座大桥主要由钢塔、钢梁和自行车道等三部分组成。这座大桥的创新点为:

(1)悬索桥钢塔的高度为148 m,1.3万t的单塔柱支撑全桥重量7万t(包括钢构4.3万t,其余为桥板、水泥钢缆),为世界同类桥梁之首,且为世界抗震钢塔第一高度。其塔身由4根五边形钢柱和连接横梁组成,最大板厚达到100 m。其制作难点在于每段重量重、结构形式复杂,厚板焊接难度高,并对塔的垂直度的要求非常严格。

(2)桥面的钢箱梁总长605 m,总宽为70 m,高为5.5 m,为世界同类桥梁中第一大箱梁,钢梁由东西两线钢箱梁和联系梁组成,采用栓焊结构,总重量约为3万t。将这批质量要求极高的钢构全部交给我国的公司承造,在美国桥钢梁建造史上是第一次。它标志着世界桥梁制造的中国世纪已经拉开帷幕。

(3)缆索与大地不发生关系,自锚在桥梁端部,因而有极强的抗震性,设计抗震8级为世界桥梁抗震之首。

(4)桥面宽达70 m,双向12车道,中间还有一条自行车专用车道。仅从宽度看,为世界单塔桥梁之首。

(5)桥面每天汽车流量将达30万pcu,是旧金山与奥克兰之间不可或缺的关键通道,即便再发生强烈地震也不允许中断交通,而其桥面的机动车通行能力为世界桥梁之首。

人们可以相信,不久的将来美国新海湾大桥建成之即,一座现代化的桥梁将使世人为之振奋和赞叹(见图26、图27)。

图26 美国新海湾大桥效果图一

图27 美国新海湾大桥效果图二

4.2 美国新世纪的代表作——胡佛大桥

21世纪美国标志性的建筑——胡佛大坝上新建起一座胡佛大桥,横跨科罗拉多河,连接着美国的内华达州和和亚利桑那州,这是地球上最新的超级建筑。这座大桥,系美国建设的第一座钢筋混凝土组合拱桥,由林同炎国际顾问公司设计。大桥距离科罗拉多河水面271 m(890 ft),采用钢筋混凝土桁架拱结构,其329 m的主跨度为世界之最,桥梁总长度为579 m,大桥设有4条车道,造价约合16.7亿人民币。经过12 a的计划和历时5 a的建设,大桥于2010年9月份竣工,建成后,每日可通过大小车辆17 000 veh。这座大桥共使用七百多米长的高空缆绳架起的起重系统进行吊装,造型优美的桥拱由106块钢筋混凝土预制件拼合而成,每一块长7.3 m。作为美国第一座钢-混凝土复合拱桥(全桥混凝土拱肋由内部的钢材加固,形成了由钢材-混凝土构成的复合材料),大桥的设计风格与索纳米德人工湖的胡佛大坝相得益彰。这座21世纪第十年建成的大桥,不愧为美国新世纪的杰出桥梁代表作(见图28、图29)。

图28 胡佛大桥实景

图29 胡佛大桥建设中的实景

5 美国城市桥梁的倒塌案例

在考察中,还对美国近年来发生的城市桥梁倒塌案例进行了调研,其大致情况如下。

5.1 明尼苏达高速公路桥梁

2007年8月1日美国明尼苏达州密西西比河的一座高速公路上的桥梁突然垮塌,近50 veh车坠入高约18 m的河中,有9人死亡,数十人受伤,引起全世界的震惊。经排查排除了恐怖袭击的可能,系一起桥梁结构性垮塌事故。该大桥修建于1967年,桥梁为钢结构拱桥,桥面距河面约20 m,桥长为589 m。该桥2005年和2006年分别接受交通部门的检查,均未发现问题。但2001年由明尼苏达州交通部门的研究成果表明,大桥连接路堤河主桥的引桥“存在老化问题”。支撑桥梁的主结构桁架也存在“老化问题”,研究显示:按大桥的桁架设计理论,如果大桥一道两个支撑面断裂,则大桥有可能垮塌。但十分遗憾的是,最终的结论为:“大桥上承式桁架不可能发生老化断裂,大桥可以延后报废”。如果当初下结论时更慎重些,是否可以避免上述灾难的发生呢?这究竟是属于桥梁风险评价中的不可抗力,还是运营阶段出现失误而出现的案例尚需人们去思考(见图30)。

图30 美国明尼苏达高速公路桥梁倒塌现场实景

5.2 加利福尼亚一座在建的立交桥发生坍塌事故

2007年8月1日,美国加利福尼亚一座在建的立交桥突然发生坍塌事故,至少有1 veh汽车被掩埋在废墟下面。汽车内的司机被救出,但伤势严重。另一名立交桥的建设者在这次事故中受重伤。据美国加州交通部门发言人表示,事故大约发生在当地时间早上7点30分,有数辆汽车被掩埋在废墟下。立交桥坍塌事故将不会对工程本身造成太大影响。美国各界人士对此极为关注,究其原因主要是施工中的排架失稳引起的桥梁倒塌(见图31)。

5.3 近年来美国城市桥梁倒塌的案例分析

图31 加利福尼亚一座在建的立交桥发生坍塌事故现场实景

例如,1967年美国西弗吉尼亚州的锡尔弗( Silv er )桥,在交通高峰时段突然倒塌，夺走了46人的生命。这一事故促使美国FHWA 建立了全国桥梁数据库,从此记录着全美桥梁的基本信息。

又如,美国某城市桥梁修建于1998年， 主梁为预应力混凝土箱梁；,桥墩盖梁采用钢结构,也是在交通高峰时发生桥梁坍塌。调查表明,虽然事故发生造成上部梁体坍落时的冲击，但却损坏不严重。通过进行一些简单的修复,并在梁底增加新的支撑,即恢复了交通。

再如,2006年,在康涅狄格州布里奇波特也发生了一起因油罐车起火而引发桥梁倒塌的事故。这座城市桥梁也是预应力钢筋混凝土连续梁桥。在该事故中,油罐车将桥面板下的钢主梁在高温下软化,导致桥梁严重下挠,并造成严重的火灾(见图32),但从图32中可看出,混凝土梁的耐火性较钢梁好,故而这座桥梁损毁得不太严重。

图32 美国某城市桥梁发生火灾后的事故现场实景

综上所述,近40 a来,美国历史上曾发生一系列桥梁倒塌事故,造成了重大的社会影响。通过考察,了解到,前些年美国还没有一个对桥梁倒塌事故进行详细记录的数据库。经FHWA对2000-2008 年美国发生的桥梁倒塌事故进行统计分析,这期间美国共发生16 起桥梁倒塌案例,而引发桥梁倒塌的原因大致可分为6大类,分别为:设计失误、构造尺寸不当、施工失误、材料质量低下、养护不足和外部诱因。根据这些原因,把2000-2008 年美国发生的16 起桥梁倒塌事故进一步分类。引发桥梁倒塌的原因涵盖了设计与施工失误、养护不足和外部诱因。其中外部诱因 ( 10例， 占62. 5% )是导致桥梁倒塌的主要原因。在其统计结果中， 约83% 的倒塌事故都是由外因诱发的,这与1989-2000 年美国桥梁倒塌原因总结的规律较为接近。

6 相关启示和建议

从上述介绍美国不同结构型式的经典城市大跨径桥梁、具有创新理念的新世纪两座大跨径桥梁、美国城市桥梁的倒塌案例及相关启示,可得出以下8点启示和建议。

(1)如众所知,桥梁是人类所建造的最古老、最壮观、最美丽的建筑工程之一。本文所介绍的美国经典的城市大跨径桥梁都以其鲜明的形象、强烈的艺术感染力,反映了时代特征和独特的结构特征及桥梁建筑美学的功力,也给当地带来了独特的艺术魅力。譬如美国纽约州华盛顿堡附近的几座经典桥梁。因此,桥梁建筑不仅要表现出结构上的稳定连续、强劲稳固的力感和跨越能力,而且要有美的形态与内涵,内容和形式的高度统一,才能显示出不朽的生命力。这一点对我们是有借鉴和启迪作用的。

(2)在城市桥梁,特别是大跨径城市桥梁的结构选型方面,美国人顺应了世界桥梁结构的发展趋势,呈现了很强的创新意识和实用功能。在近100 a间,美国人建造了许多现代大跨径城市桥梁,其特点主要呈现以下两个特点:一是在结构选型上因地制宜,主要是悬索结构,同时又有斜拉结构和拱式结构,还有梁式结构,结构选型以发挥该种结构的综合力学优势为主;二是在跨径的确定上,并非单纯追求跨径上的新突破和世界第一,而是将创新性、耐久性和经济性统筹考虑和综合确定。这两个方面的成功经验在我国当前大规模兴建桥梁工程的今天,的确值得大家深入思考和借鉴。

(3)在城市桥梁的设防上,我们所考察的美国海上大跨径桥梁,由于所处地域自然环境的不同,有的桥梁桥墩设计在构造上主要是考虑防止浮冰的撞击,而另一些桥梁则主要是考虑防船舶撞击。结构一旦遭到撞击,他们有一套快速修复系统在最短时间里修复结构。在城市桥梁跨线桥的设防上,所有桥梁未设防撞角钢、防撞门架,也未见桥梁有刮蹭、被撞破坏现象。一是汽车制造厂都高度严格地按国家标准生产出厂,未有私自改装加高等现象;二是桥梁净空尽量按高标准设计,净空高度没有划分成很多种类型。这些亦是我们应对比和思考的。

(4)在桥梁结构防腐蚀和桥梁钢材防腐设计观念上,美国人反对使用环氧涂层钢筋,认为环氧涂层会降低钢筋与混凝土之间的握裹力,使得这两种材料的互补优势无法发挥出来以致降低了材料使用效率。因此,他们主张通过改进混凝土本身的材性来提高结构的耐久性标准。同时他们在桥梁结构的耐久性方面也采取了许多技术措施和管理措施,也值得我们借鉴。

(5)在桥梁防灾减灾和对意外事故的防范措施上,针对因外部诱因( 如船撞、火灾、飓风、地震等) 而倒塌的桥梁占倒塌桥梁总数的62. 5% ,而这些外部诱因又是导致桥梁倒塌的主要原因,美国的相关规范对桥梁抗震的设防有十分明确的规定,并且各州均有抗震设计规范。因此,在桥墩防撞、飓风、火灾等问题上,他们注重从技术法规和具体做法上对设计、施工环节提出明确的要求。这一点,结合我国当前的实际情况,的确值得学习和借鉴,以尽快填补我国在此方面的空白和不足。

(6)通过此次考察,我们深感,美国人对耐久性问题的重视,美国的钢桥数量也比我国要多很多。从美国16起桥梁倒塌事故可以看出,虽然钢桥与混凝土桥的耐久性问题侧重点不一样， 但问题仍很突出。钢桥存在着钢材腐蚀、疲劳、低温脆断和耐火性差等问题;而混凝土桥梁则存在钢筋腐蚀、混凝土劣化等现象。目前在我国桥梁工程特别是城市桥梁,前些年对提高耐久性的意识还不强,规范中相应措施的可操作性还不完善，,研究与实践均需要加强。因此,在“十二五”期间,需专题研究并尽快将研究成果应用于实际桥梁工程建设中。

(7)城市桥梁的检测、评估工作十分重要,但从以往的桥梁的抗力随服役时间的增长而逐渐退化的事实来看,实际运营中对桥梁的服役要求却在不断提高,美国16起桥梁倒塌事故中， 13起都是在桥梁运营过程中发生的。因此， 桥梁运营时间越长， 发生倒塌的可能性也越大。我们对数以万计的在役桥梁， 如何从管理和技术的角度进行有效的检测和评估， 对于今后防范桥梁倒塌事故极为重要。因此,我们应加强这方面的工作。

(8)当前我国在进入21世纪第二个十年,以青岛海湾大桥和港珠澳大桥为代表的特大型桥梁工程,以及祖国各地城市化进程中必将兴建一大批城市桥梁,我们不仅成为桥梁建设大国,更应成为桥梁建设强国,应将桥梁建设中的创新性、耐久性和经济性有机地融合在一起,更好、更快地进行桥梁工程建设,不断推动祖国现代化进程!

［1］ 穆祥纯.美国城市道路及桥梁工程考察的回顾和思考(2)［J］. 特种结构,2007,(1).

U448

E

1009-7716(2015)03-0036-10

2014-08-13

穆祥纯(1955-),男,北京人,教授级高级工程师,副总经理,从事桥梁工程设计、城市交通研究及技术管理工作。