十大让人留恋忘返的地方之一——Blennerhassett岛大桥

PE和SUSAN.L.bertone

PE和SUSAN.L.bertone（中煤国际工程集团重庆设计研究院400016）

［摘要］Blennerhassett岛大桥横跨Blennerhassett岛--一个自然环境保护区和拥有悠久历史的区域，同时也是一个主要旅游景点以及位于俄亥俄河背部的主要渠道。

［关键词］Blennerhassett岛大桥

歌手约翰丹佛的1971年单曲“指引我回家的乡村道路”，赞扬了西弗吉尼亚州群山和河流的蜿蜒险峻之美，但不论是约翰丹佛还是当地州的居民都不能描绘出至今仍屹立在俄亥俄河上的通往西弗吉尼亚的的唯一通道——blennerhassettisland大桥的气势磅礴。

该桥的拱结构部分高耸于地平线之上，其纤细的线条，使得它看起来几乎是透明的，其古典的桥型体现了俄亥俄河和Blennerhassett岛的源远流长的历史.由于综合了拱和桁架两种元素，该桥在安全和成本控制方面都体现了其独特的优越性，也展示了桥梁在创新的设计技术方面的应用。

“Blennerhassett岛大桥是当地的一个标志性建筑，是由一些已经意识到传统工程设计方法及理念局限性的工程师们设计的。他们认识到，该桥所处的独特的环境及地理位置要求必须采用新的特殊的设计方法。“詹姆斯（西弗吉尼亚州运输部（WVDOT），路政署司，聚乙烯结构项目经理）说，“这座桥也体现了西弗吉尼亚州和俄亥俄州的运输部门作为合作战略合作伙伴所做出的巨大努力，该桥对改善当地的地区流动性和促进该地区经济活力都带来不可估量的好处。”

Blennerhassett岛大桥横跨Blennerhassett岛——一个自然环境保护区和拥有悠久历史的区域，同时也是一个主要旅游景点以及位于俄亥俄河背部的主要渠道。在俄亥俄和西弗吉尼亚州之间交界处的地段被确定为重要剩下的“阿巴拉契亚走廊的开发区中缺失的一环，一个沿着主要的穿越美国俄亥俄州辛辛那提的大约240英里经济发展带中剩下的最后部分”，在克拉克，西弗吉尼亚州的走廊是一个在联邦、州和地方共建机构，长期致力于加强东西结合制度，促进进入主要城市中心和西部市场。

Blennerhassett岛大桥包括两端桥台在内总长度为4008英尺。该结构包括一个878英尺长的系杆拱桥，其主跨塔拱高于俄亥俄河二百四十五英尺以上。大桥引桥由跨度达401英尺长的钢板梁组成。它是美国以及整个西半球中跨度最大的一座系杆拱桥。

西弗吉尼亚州运输部最终选择了迈克尔贝克工程设计事务所负责该大跨度过河桥梁的设计。迈克尔贝克曾担任过总理顾问，并提供项目管理、初步设计和最终的桥梁施工图设计、施工监控、环境评价报告、可视化及公众参与的服务，HNTB完成了一项独立的拱桥施工设计，并提供监控服务。罗宾逊负责俄亥俄州引桥设计和水力设计。慧聪纳丁——Terracon有限公司，进行岩土勘察工程，并组建基础能力建设公司兴建桥梁基础。

两种类型的最佳选择

从最初的规划阶段，Blennerhassett岛大桥超大规模的设计工作量构成了一个重大挑战。设计工程师们在构思设计时，努力寻求优化结构并保证结构的安性，并尽量控制结构的尺寸和重量，努力减少上层建筑的成本，这是一个非常复杂的问题，要求创新的解决方案。

工程师抛弃了传统桥梁的设计方法，即传统的拱结构，构思出集成了一个关键的桁架式元素：后张预应力钢绞线，该结构增加了网络结构强度和灵活性，并加强了安全度和可靠度。这种混合拱桁架设计方法使我们能够同时充分利用供和桁架两种桥梁类型的优点。此外，后张预应力墩帽成为系杆拱桥跨度的主要支持和帮助，并可减少工程造价。该设计使用了高强度混合钢构件，该构件为高性能的70ksi型钢，能充分发挥材料的耐用性和延展性。这种高强度钢材料的应用使钢材料的总量也减少了，这相应降低了成本。

网络系杆拱桥的跨度

确保结构完整性和持久性至关重要。这座桥的主拱是采用了加强了的后张七丝钢绞线，配置成独特的X形网络，以加强桥梁上部刚度；后张预应力，网络结构，可均匀分配拱肋的水平荷载，使各构件的功能类似于一个桁架结构。

为了评估在正常使用条件下的结构应力分布以及在灾难性及意外事件下，如电缆损耗，进行了三维有限元的桥梁模型的创建。3-D模型可用来改进施工顺序。通过模型上的每个点不同的时间调查测定，3-D模型进行了更新，获取到各构件的实际应力数据。通过联网的电缆仔细调整，并在优化的基础上，通过3-D模型得出的结果，可调整板结构及其应力分布。

网络电缆的使用也使工程师能够减小大约一半的拱肋尺寸，从而大大降低总体建设成本。

钢拱本身，通常是用于抗裂的重要构件，采用箱形截面，用于特殊设计时可抵抗开裂，确保不垮坝。在拉压实验时，由于机械系与螺栓紧扣，而不是焊接在一起，即使是其中的四个板块组成的方块开裂，也能使其能够承受更大负载。工厂预制拱肋构件，可减少所需的连接螺栓数量。

桥面采用的是纵向后张预应力，可防止由荷载引起系杆拉长所产生的开裂。该桥墩也是采用后张预应力来抵抗开裂。

提供足够的防腐蚀保护也是一个主要关注的问题。为了防止腐蚀电缆，从而大大提高设计寿命，减少维护成本，工程师提出了一个不寻常的三层电缆保护制度。每个电缆束是由一个单独聚乙烯护套包裹的7丝无粘结预应力钢绞线组成，以防止水分渗透。每束无粘结预应力钢绞线都是单捆绑在一个高密度聚乙烯管道内。

通过合并在4008英尺桥跨范围内仅有的两个大型甲板伸缩缝，工程师减少了腐蚀的可能性。甲板接缝位于桥跨两端878年英尺处。此外，膨胀节点，是按照俄亥俄州和西弗吉尼亚州相同的做法做的。为了适应在西弗吉尼亚州附近的温度及日照影响，在结构板下面设置了一个开口。一个大型得钢齿板安装在顶板和底板之间，以适应公路路面温度诱导运动。

西弗吉尼亚州的做法

在西弗吉尼亚州一侧2629英尺长的桥梁段包括一个八跨连续梁段。相隔范围从195至401英尺混合钢梁进行10英尺深的大跨度部分负荷的长度。75ksi高性能耐候钢用在了高应力区部分，最大限度地减少梁的重量。最后两个附近的西弗吉尼亚州的基跨度钢梁利用防火间隔以适应在桥头转线。内河码头的两个20度的倾斜，使他们将与海岸线保持一致。

一个三维有限元模型也已建立，用来分析西弗吉尼亚州的引桥。这项分析是进行以考虑到复杂的几何形状和准确计算梁的应力和甲板混凝土浇筑作业的负荷挠度。

桥梁最大挠度达到了22寸，这是非常大的。全部恒荷载在混凝土和钢结构加载后产生了10英寸的负载偏转。全部恒荷载下混凝土加载产生的挠度。此外，相同的几何形状复杂的同跨度桥梁，有3-英寸梁挠度偏差。连接纵梁的横梁或是横隔板在设计时同样是考虑了梁的绕度的，并赋予了相应的参数。

大跨度梁都采用了大量的横向及纵向加劲，采用这种加劲处理，在加固结构、确保安全的同时，可大幅降低其梁体重量和并减小腹板厚度（以1/2考虑），并最终降低建设成本。这种细长的交叉网状金属吊杆的应用，使工程师们在设计时，各种参数的选取不得不接近了AASHTO标准设计规范中的极限值。

桥梁所处的合适位置

在桥梁施工阶段时，呈现出很多的问题，这些问题中任何一个都能导致最终桥梁工期的延误。这些关键的因素主要有拱肋上的钢构件的预制及拼装方法的选择、纵梁和拱圈的施工以及如何在河中间修建巨大的围堰并能保持河流的畅通。詹森和?斯潘斯公司担任了该工程建筑设计承包，他们与施工方一起合作，定制了详细的解决方案，保证了项目正常建设的需要。

特殊钢构件的制造

设计方案严格规定了工厂预制生产拱肋钢构件时所采用的方法。这样做的目的是要求使用最精确的制造工艺，从而可帮助降低工程建设成本。然而，这种生产方案对预制工厂和设计工程师们都提出了严峻的挑战。虽然现场定点测量已经很精确了，但是这些测量结果有时还是和实际的需要精度有着一定的差距。然而，通过在工厂的预制拼装制造方法可减少所需的拱螺栓数量的50%。

主梁和拱肋的架设

在准备建造主梁和拱肋之前，施工单位在河中间共建造了八个临时的沉井。主梁和拱肋分别从两端桥台开始建造，并最后在跨中合拢。最有效合理的施工方案是先建好一根纵梁，然后在这根纵梁上对称施工拱肋，直到跨中合拢为止。拱的施工是整个工程当中最复杂最重要的部分，因为拱的准确施工能确保桥梁其它各个部分尺寸的精确。在安装吊杆过程中，需要设置临时的杆件支撑。在每根吊杆安装结束后，临时支撑将被移走。

拱的各部分坐标在施工过程中是严格监测的。拱的各个部位在完成后也是准确地进行了标高检测，而结构位置则可通过施工单位设置的临时脚手架来调整。

在俄亥俄州一侧的主拱在建造时沿纵向向后偏移了6英寸，在安装拱肋时通过千斤顶顶进到伸缩槽处。在拱的两端采用临时后张预应力并锚固于桥墩顶部，以确保在顶进施工时悬臂部分的稳定。钢垫片和聚四氟乙烯滑板支座是通过千斤顶是安装在沉箱的顶部以确保临时支持服务。该钢垫片孔和支座还可以快速拆装，以便临时支撑结束后拆除。

大型驳船式起重机是安装重钢段（其中重达60吨）的所必须采用的。抛物线拱肋部分都必须精确的吊装在所处的位置上，以便保持两侧的受力平衡。

施工方设计了一个简易的临时桥梁，并使用了“驳船”越过俄亥俄河的后面的通道，以便支撑在西弗吉尼亚州海岸一侧的岛屿上。在岛内，施工单位竖立了一座70英尺高的脚手架塔来支撑主梁，该塔设计可以承受75英里的风荷载，塔的基础深埋入土中，并浇注了大量的混凝土。

围堰施工

位于河中的脚手架，由于受到水流冲刷的影响将产生变位这将，影响桥梁的正常施工及安全。而由于大桥有4个桥墩必须设在河中，因此有必要修建高达50英尺长*110英尺宽*50英尺深的大型围堰。

承建商已通过设计围堰这种特别措施来保证桥梁施工的安全，同时围堰设计时也考虑了承受驳船等意外事件的影响。这个意外事件的考虑后来被证明是非常必要的：在2006年夏天，一场大风暴使本来停泊在码头的一艘驳船摆脱了束缚，并与围堰发生了碰撞，但是仅对围堰造成了轻微的破坏，如果当初围堰设计时没有考虑该意外事件，则围堰会无法承受这种碰撞，其结果可能是灾难性的。

水上交通维护

桥梁施工时不能妨碍或中断河道交通，因为俄亥俄河是一个重要的商业航道。美国海岸警备队要求承包商在施工期间必须保留一个不小于410英尺跨度，69英尺高的临时航道。施工进度表的安排是在与美国海岸卫队及美国陆军工程师紧密协调后才确定的。