飛架于美國舊金山與奧克蘭之間的海灣大橋新東橋，其主橋是一座單塔自錨式懸索鋼橋。作為舊金山的交通咽喉和新地標(biāo),因其超強(qiáng)的抗震性能、超長的使用壽命、超高的鋼結(jié)構(gòu)建造難度,獲得了2015年度IABSE杰出結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)。
無處不在的抗震設(shè)計(jì)思想
由于舊橋在1989年舊金山大地震中遭到損壞，經(jīng)數(shù)年的檢查及分析，認(rèn)定加固舊橋的花費(fèi)甚高，當(dāng)局決定在旁邊修建一座新橋，并將舊橋拆除。除了東西兩端的引橋外，新橋的主要部分為一座非對(duì)稱的懸索橋（主跨385米、背跨180米）和一座長約1.9公里的流線型混凝土節(jié)段高架公路橋。
新橋的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過了多次修改，為了在視覺上匹配流線型的主梁形狀，在新橋的南邊還設(shè)計(jì)了一條獨(dú)立且安全的自行車/人行道，供行人來往于芳草島、金銀島和奧克蘭市。
其中的自錨式懸索橋采用連續(xù)鋼箱梁，從塔頂優(yōu)雅垂下的單根直徑0.78米的主纜，一部分錨固在東側(cè)的鋼箱梁橋面板內(nèi)，另一部分則通過兩個(gè)轉(zhuǎn)索鞍連續(xù)繞在西側(cè)的梁段上。不同于傳統(tǒng)的懸索橋，這些轉(zhuǎn)索鞍固定在墩帽上。在施工期間，兩側(cè)的索力通過調(diào)整鞍座來平衡。
鋼塔高160米，塔身由4根五邊形鋼柱和剪力連接梁組成。這些鋼柱分別通過塔鞍格柵和塔基，在頂部和底部剛性連接在一起。為了減少地震給橋梁帶來的破壞，塔身沒有與橋面連接。鋼塔的剪力連接梁是本項(xiàng)目獨(dú)特的設(shè)計(jì)構(gòu)件，這些連接梁在地震發(fā)生時(shí)，為橋塔提供了所需的剛度，并同時(shí)消耗了地震能量，確保整個(gè)塔柱可以基本保持在彈性變形范圍內(nèi)。由于這些連接梁不是主要的受力構(gòu)件，只是用螺栓連接到4根塔柱上，如果當(dāng)它們超過屈服點(diǎn)需要更換時(shí)，也不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)以及交通造成任何影響。
新東橋的另一個(gè)獨(dú)特之處，是在鉸接處安裝了直徑為1.9米的內(nèi)部鋼管梁，該構(gòu)造設(shè)計(jì)除了可以控制每個(gè)框架懸臂端的撓度外，還可以傳遞剪力和抵抗彎矩。鉸鏈鋼管梁在中間設(shè)計(jì)有“保險(xiǎn)機(jī)制”，當(dāng)該結(jié)構(gòu)遇到強(qiáng)烈的地震沖擊時(shí)，這個(gè)機(jī)制會(huì)先發(fā)生屈服，從而將其他結(jié)構(gòu)部位的地震損害降至最小。這種保險(xiǎn)機(jī)制的作用原理是，通過在管梁的中間部分使用較薄且較低等級(jí)的鋼材來實(shí)現(xiàn)的。如果該部分的鋼材發(fā)生屈服，在地震后是可以更換的。
為了承受收縮徐變、溫度梯度等易引起上部結(jié)構(gòu)彈塑性變形的荷載，對(duì)基礎(chǔ)和橋墩進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)。鋼管樁由于其強(qiáng)度高、延性好，易于安裝，最適合用于高架基礎(chǔ)。這些樁被打入下層基巖中，長度為90到100米。
第一段高架引橋的橋墩約45米高，立于15米深的水中，水下為15米厚的新灣泥層，當(dāng)橋墩與松軟的泥層結(jié)合在一起時(shí)，形成了非常柔性的結(jié)構(gòu)體系。這種橋墩的設(shè)計(jì)方法是采用剛性基礎(chǔ)，從而使樁帽的彈性位移控制在可接受的地震需求水平，并盡量減少承臺(tái)發(fā)生永久偏移的可能性。采用大直徑鋼樁填充混凝土，實(shí)現(xiàn)了高柔性墩與相對(duì)剛性的基礎(chǔ)體系。
緊密嚴(yán)格的施工管理
新東橋的更換是一個(gè)真正的國際項(xiàng)目。橋梁的部分構(gòu)件來自世界各地的供應(yīng)商，例如主鋼塔、正交異性鋼箱梁、主纜索都來自中國的鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)。起重機(jī)、駁船、臨時(shí)塔和許多其他建筑相關(guān)的設(shè)備也來自世界各地的制造商。高架橋的部分從2002年就開始建設(shè)，2007年完工，而懸索橋的部分于2006年夏天開始施工，2013年完工。
當(dāng)建造一座傳統(tǒng)的懸索橋時(shí)，必須遵循一個(gè)嚴(yán)格的建設(shè)順序。首先是建造主鋼塔，然后是錨碇、主纜、吊索，最后是橋面。在主跨的施工中，整個(gè)橋面必須在吊索安裝之前架設(shè)完成。而在這個(gè)階段，還需要一系列的臨時(shí)塔/桁架來支撐住橋面。將所有橋面節(jié)段連接起來后，才可以安裝主纜，然后進(jìn)行荷載的傳遞，最終完成整個(gè)結(jié)構(gòu)。
高架橋的施工從打樁開始,182根直徑2.5米的錘擊鋼樁被世界上最大的液壓錘,打入海灣的土壤中。樁長86～100米,壁厚51～76毫米。樁就位后,吊車吊起32根鋼樁帽就位,焊工將樁與樁帽連接。橋墩和承臺(tái)采用現(xiàn)澆混凝土建造。
高架橋的主梁由452個(gè)預(yù)制后張預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段組成。這些預(yù)制節(jié)段是在加利福尼亞州的斯托克頓預(yù)制廠制造，然后用駁船運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)。預(yù)制廠位于建筑工地東北方向125公里處的深水航道上。為了確保各節(jié)段能夠精確地拼接在一起，先將各個(gè)節(jié)段匹配好放置在一起澆筑。等混凝土澆筑完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)將混凝土節(jié)段運(yùn)送到存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行2～18個(gè)月的養(yǎng)護(hù)。將這些節(jié)段從預(yù)制廠運(yùn)到建筑工地通常需要10～12個(gè)小時(shí)。所有到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的混凝土節(jié)段都在當(dāng)天就被吊起并豎立放置，以避免它們受到意外的損壞。
大橋附近的土壤往往是泥濘的。作為路基工程的一部分，橋梁施工人員需要通過填土來穩(wěn)定地基，用以支撐上面的道路。這項(xiàng)工作需要在以前只有水和泥存在的海灣沿岸建造一條施工便道，放置約55045立方米的填充物和約16819立方米的巖石。這項(xiàng)工程還包括安裝6000個(gè)塑料板和柔性塑料排水管道，這樣地震發(fā)生時(shí)，滲到路面底層的水就可以通過礫石層排出，而不是集中在路面下層。
舊金山-奧克蘭海灣大橋新東橋是海灣地區(qū)道路系統(tǒng)中的重要紐帶和生命線工程。1989年的洛馬普列阿塔地震后大橋關(guān)閉，這不僅中斷了成千上萬通勤者的日常出行，而且對(duì)灣區(qū)的經(jīng)濟(jì)造成了重大破壞。專家們繼續(xù)試圖預(yù)測(cè)下一次大地震什么時(shí)候會(huì)來到海灣地區(qū)。從2000年起的十多年里，工程師、承包商和研究人員一直在努力建造一種能夠承受下一次大地震的結(jié)構(gòu)。幸運(yùn)的是，舊金山-奧克蘭海灣大橋新東橋已建成通車，并將在未來150年內(nèi)為灣區(qū)居民提供便利的交通服務(wù)。
本文刊載 / 《橋梁》雜志 2020年 第5期 總第97期
作者 / 何天弘
作者系林同棪國際工程咨詢有限公司副
(文章來源52監(jiān)測(cè)網(wǎng)，本文轉(zhuǎn)載自橋梁雜志，僅用來學(xué)習(xí)及交流，侵權(quán)刪）
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