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世界之旅——城市桥梁建设——美国

浏览次数: 日期:2015-02-26
城市桥梁建设——美国
文·穆祥纯
 
摘  要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及相关启示和建议。
关键词  考察  美国 城市桥梁 倒塌案例 相关启示
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天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。
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。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  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1900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1280m,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342m,其中高出水面部分为227m,相当于一座70层高的建筑物。塔的顶端用两根直径各为92.7Cm、重2.45万吨的钢缆相连,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60m,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2000m,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米,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年时间和10万多吨钢材,耗资达3550万美元。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50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1,图2。
 
                    图1  著名的金门大桥照片1
   
                         图2 著名的金门大桥照片2
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1067m(3500英尺),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——上层为双向八车道,下层为双向六车道,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英里/小时(70公里/小时),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147912000辆,日均车流量为295649辆,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3。
 
                   图3  乔治华盛顿大桥照片
 
 
 
 
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。
 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+137.7m。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, 420m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6000吨,从远处望去,大桥显得通透、协调和美观大方。见图4。
     
                    图4  弗里蒙特桥大桥
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。此照片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260m,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30多年的运行,至今仍运行良好,见图5。
 
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200~800m的范围内占据着优势,在跨径800~1100m特大跨径桥梁角逐竞争中,斜拉桥将扮演重要角色。考察中我们发现,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。
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英里,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918m(3010英尺),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152m(500英尺),通航净空约43m(140英尺)。全桥外观明朗、轻盈、对称、均匀、有节奏和韵律感,预计这座大桥将于2012年至2014年建成。见图6。
 
图6   斯蒂尔沃特斜拉桥照片2
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英尺(约5.5英里,8.85公里)。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366m(1200英尺),高出水面58.8m(193英尺),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。桥塔上的二十一根钢缆穿过九英尺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。大桥的六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87000吨的撞击。桥梁197英尺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7。
                
                  
                   
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。
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年以上)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、造价最高的钢桥项目,能抵抗八级地震。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4.5万吨工程。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, 1.3万吨的单塔柱支撑全桥重量7万吨(包括钢构4.3万吨,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 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30000吨。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米,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30万辆,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。详见图8。
 
图8   美国新海湾大桥
 
                  
美国新世纪的代表作——胡佛大桥
21世纪美国标志性地建筑——胡佛大坝上新建起了胡佛大桥,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英尺),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,大桥设有四条车道,造价约合16.7亿人民币。经过12年的计划和历时5年的建设,大桥于2010年9月份竣工,建成后,每日可通过大小车辆17000辆。这座大桥共使用700多m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米。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),大桥的设计风格与收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9。
 
                             图9  胡佛大桥
 
 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年间,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,的确值得我们深入思考和借鉴。
3 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。
4 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的融合在一起,更好、更快地进行桥梁工程建设,不断推动祖国现代化进程!
 
参考文献
 [1]穆祥纯.城市桥梁结构安全度和耐久性问题的研究.第十六届全国桥梁学术会议论文集.长沙:人民交通出版社,2007年11月 .
[2]穆祥纯.美国城市道路及桥梁工程考察的回顾和思考(2) 北京:特种结构,2007年第一期,2007年1月
 [3]王应良、高宗余  欧美桥梁设计思想  北京 中国铁道出版社  2008年5月
 
作者简介:穆祥纯(1955,6~)男,北京市人,教授级高级工程师,副院长,长期从事桥梁设计、城市交通研究及技术管理工作。
 
                                                                                                                       (2011年第三期)

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