如何建造超强抗震、超长寿命、超高难度的悬索

飞架于美国旧金山与奥克兰之间的海湾大桥新东桥，其主桥是一座单塔自锚式悬索钢桥。作为旧金山的交通咽喉和新地标,因其超强的抗震性能、超长的使用寿命、超高的钢结构建造难度,获得了2015年度IABSE杰出结构大奖。

无处不在的抗震设计思想

由于旧桥在1989年旧金山大地震中遭到损坏，经数年的检查及分析，认定加固旧桥的花费甚高，当局决定在旁边修建一座新桥，并将旧桥拆除。除了东西两端的引桥外，新桥的主要部分为一座非对称的悬索桥（主跨385米、背跨180米）和一座长约1.9公里的流线型混凝土节段高架公路桥。

新桥的设计方案经过了多次修改，为了在视觉上匹配流线型的主梁形状，在新桥的南边还设计了一条独立且安全的自行车/人行道，供行人来往于芳草岛、金银岛和奥克兰市。

其中的自锚式悬索桥采用连续钢箱梁，从塔顶优雅垂下的单根直径0.78米的主缆，一部分锚固在东侧的钢箱梁桥面板内，另一部分则通过两个转索鞍连续绕在西侧的梁段上。不同于传统的悬索桥，这些转索鞍固定在墩帽上。在施工期间，两侧的索力通过调整鞍座来平衡。

钢塔高160米，塔身由4根五边形钢柱和剪力连接梁组成。这些钢柱分别通过塔鞍格栅和塔基，在顶部和底部刚性连接在一起。为了减少地震给桥梁带来的破坏，塔身没有与桥面连接。钢塔的剪力连接梁是本项目独特的设计构件，这些连接梁在地震发生时，为桥塔提供了所需的刚度，并同时消耗了地震能量，确保整个塔柱可以基本保持在弹性变形范围内。由于这些连接梁不是主要的受力构件，只是用螺栓连接到4根塔柱上，如果当它们超过屈服点需要更换时，也不会对桥梁结构以及交通造成任何影响。

新东桥的另一个独特之处，是在铰接处安装了直径为1.9米的内部钢管梁，该构造设计除了可以控制每个框架悬臂端的挠度外，还可以传递剪力和抵抗弯矩。铰链钢管梁在中间设计有“保险机制”，当该结构遇到强烈的地震冲击时，这个机制会先发生屈服，从而将其他结构部位的地震损害降至最小。这种保险机制的作用原理是，通过在管梁的中间部分使用较薄且较低等级的钢材来实现的。如果该部分的钢材发生屈服，在地震后是可以更换的。

为了承受收缩徐变、温度梯度等易引起上部结构弹塑性变形的荷载，对基础和桥墩进行了特别的设计。钢管桩由于其强度高、延性好，易于安装，最适合用于高架基础。这些桩被打入下层基岩中，长度为90到100米。

第一段高架引桥的桥墩约45米高，立于15米深的水中，水下为15米厚的新湾泥层，当桥墩与松软的泥层结合在一起时，形成了非常柔性的结构体系。这种桥墩的设计方法是采用刚性基础，从而使桩帽的弹性位移控制在可接受的地震需求水平，并尽量减少承台发生永久偏移的可能性。采用大直径钢桩填充混凝土，实现了高柔性墩与相对刚性的基础体系。

新东桥的更换是一个真正的国际项目。桥梁的部分构件来自世界各地的供应商，例如主钢塔、正交异性钢箱梁、主缆索都来自中国的钢结构企业。起重机、驳船、临时塔和许多其他建筑相关的设备也来自世界各地的制造商。高架桥的部分从2002年就开始建设，2007年完工，而悬索桥的部分于2006年夏天开始施工，2013年完工。

当建造一座传统的悬索桥时，必须遵循一个严格的建设顺序。首先是建造主钢塔，然后是锚碇、主缆、吊索，最后是桥面。在主跨的施工中，整个桥面必须在吊索安装之前架设完成。而在这个阶段，还需要一系列的临时塔/桁架来支撑住桥面。将所有桥面节段连接起来后，才可以安装主缆，然后进行荷载的传递，最终完成整个结构。

高架桥的施工从打桩开始,182根直径2.5米的锤击钢桩被世界上最大的液压锤,打入海湾的土壤中。桩长86～100米,壁厚51～76毫米。桩就位后,吊车吊起32根钢桩帽就位,焊工将桩与桩帽连接。桥墩和承台采用现浇混凝土建造。

高架桥的主梁由452个预制后张预应力混凝土节段组成。这些预制节段是在加利福尼亚州的斯托克顿预制厂制造，然后用驳船运到现场。预制厂位于建筑工地东北方向125公里处的深水航道上。为了确保各节段能够精确地拼接在一起，先将各个节段匹配好放置在一起浇筑。等混凝土浇筑完成后，根据设计将混凝土节段运送到存储区进行2～18个月的养护。将这些节段从预制厂运到建筑工地通常需要10～12个小时。所有到达现场的混凝土节段都在当天就被吊起并竖立放置，以避免它们受到意外的损坏。

大桥附近的土壤往往是泥泞的。作为路基工程的一部分，桥梁施工人员需要通过填土来稳定地基，用以支撑上面的道路。这项工作需要在以前只有水和泥存在的海湾沿岸建造一条施工便道，放置约55045立方米的填充物和约16819立方米的岩石。这项工程还包括安装6000个塑料板和柔性塑料排水管道，这样地震发生时，渗到路面底层的水就可以通过砾石层排出，而不是集中在路面下层。

旧金山-奥克兰海湾大桥新东桥是海湾地区道路系统中的重要纽带和生命线工程。1989年的洛马普列阿塔地震后大桥关闭，这不仅中断了成千上万通勤者的日常出行，而且对湾区的经济造成了重大破坏。专家们继续试图预测下一次大地震什么时候会来到海湾地区。从2000年起的十多年里，工程师、承包商和研究人员一直在努力建造一种能够承受下一次大地震的结构。幸运的是，旧金山-奥克兰海湾大桥新东桥已建成通车，并将在未来150年内为湾区居民提供便利的交通服务。

作者 / 何天弘

作者系林同棪国际工程咨询有限公司副总裁

编译 / 裴小吟

责编 / 王硕