薩拉·米爾德里德·朗大橋的創新解決方案

始建於1940年的美國緬因-新罕布什爾大橋,橫跨於Piscataqua河上,連接新罕布什爾州的朴茨茅斯市和緬因州的基特里市。如果上游95號州際公路的交通中斷,它將成為連接緬因州和新罕布什爾州之間的重要備用線路。1987年,緬因-新罕布什爾大橋被重新命名為薩拉·米爾德里德·朗大橋(Sarah Mildred Long Bridge),以紀念在緬因-新罕布什爾州際大橋管理局工作了50年的Sarah Mildred Long。

  30年後的2018年3月30日,另一座以“Long”命名的替代橋投入使用。這座橋的創新設計會讓Sarah Mildred Long感到自豪。之前的結構有5跨,其中包括可以豎直升降的橋跨,位於朴茨茅斯市一側一共有15跨,基特里市一側有7跨。新橋為雙層橋,頂層用於公路交通,底層用於鐵路運輸,中間有一個單層的可升降的活動橋跨。

  多方積極溝通 創造新穎設計

薩拉·米爾德里德·朗大橋的創新解決方案

  新結構的設計提高了預製拼裝橋樑通航橋跨的斜交角、寬度,以及車輛、鐵路和船舶的通行安全和效率。有了這座新橋,海上船隻可以在Piscataqua河上航行,而最上層橋樑則承載著美國1A公路,次上層的匝道橋將美國東北部的鐵路線路與朴茨茅斯海軍造船廠(Portsmouth Naval)連接起來。可升降的活動橋面允許高大的船隻通過,當下降到與鐵路軌道平齊時,又可以讓火車通過。

  這樣一個設計解決方案幫助項目負責人實現了許多目標。首先,允許對橋樑的水平和垂直方向進行微調,以提高通航淨高,還可以滿足鐵路和道路交通的標準,並最小化對環境、歷史遺址、附近財產的影響。混凝土材料的使用也提供了一個上下一體、美觀的解決方案。

  在整個設計過程中,團隊積極與政府機構、社區、監管部門、船舶駕駛員溝通,並廣泛收集公眾意見,獲得了設計的靈感。最終指導設計師和承包商創造出滿足所有目標的設計作品,同時建造出別出心裁的可活動橋面,為後續此類項目提供了借鑑。

  替代橋項目是聯邦公路管理局、緬因州交通部和新罕布什爾州交通部的合作項目,緬因州交通部是牽頭機構。這個耗資1.65億美元的項目得到了2500萬美元的交通資助,其中包括用於鐵路部分的經濟復甦(TIGER)贈款。該項目屬於緬因州和新罕布什爾州之間的“三橋協議”中的第二項協議,旨在解決他們共同擁有的橫跨Piscataqua河的橋樑權責問題。

  減少水中墩柱 提高通航能力

薩拉·米爾德里德·朗大橋的創新解決方案

  團隊在最初設計時面臨的主要問題之一是船舶如何才能暢行無阻?原先的橋樑在閉合位置只有約3米的淨空,這意味著橋樑需要經常打開,船舶才能通過。2008年,該橋已開合2637次,平均每次打開時會延誤9.5分鐘。新橋在其閉合位置提供了約17米的垂直淨空。由於增加了垂直淨空,新結構將減少68%的開合次數。因為每年只有10列火車會使用到較低的軌道,所以舊橋可以一直保持閉合狀態,即原始的橋面高度。

  原先的橋樑只能提供約53米的通航寬度供海上交通使用,這迫使拖船在通過這座橋之前必須與更大的船隻脫離。為了提高船隻在開合橋跨附近的通行性,需要開闢一個新的航道,建造一個15度的斜交橋,將可通航寬度增加到76.2米。

  新橋可以打開的更大高度是通過新罕布什爾一側的引橋上1454米的反向曲線和緬因州一側的1585米半徑曲線實現的,然後再連接到現有的路線上。這種設計允許新一代的貨船在拖船參與的情況下通過橋樑。

  在新橋的上層,可供車輛行駛的有11跨,下層供鐵路運行的有16跨。含鐵軌的橋跨長度約是公路橋跨長度的一半,其目的是為了適應較重的Cooper E80活載。而且這樣的設計可以最大限度地延長每一跨的長度,以減少水中的橋墩數量。

  對於預製拼裝橋樑來說,鐵路橋的跨度設置為49米是非常合適的,而且在上層97.5米跨度範圍內的橋上只能使用獨柱墩。這樣的設計可以減少水中的11個橋墩,而且Market街現有的獨柱墩也被取消,改善了通往朴茨茅斯市中心的航道寬度。

  上層的公路橋採用預製混凝土箱梁進行拼裝,梁段高度從2.4米到4.1米範圍內變化。下層的鐵路橋也是由預製混凝土梁拼裝而成,高度從2.7米到3.4米範圍內變化。可活動的單層橋面板寬約13米,兩條線路間相隔2米的鐵路軌道。

  改進升降塔 降低造橋成本

薩拉·米爾德里德·朗大橋的創新解決方案

  為92米長的流線型箱梁設計升降驅動系統,通常有兩種方案。由於有橋跨傳動裝置,機器安裝在橋跨上,隨著橋樑的升降而自動升降。在塔式驅動下,位於塔頂的機械可以提升或降低跨度。對於這個項目,混合設計是較為周全的解決方案。

  操作設備位於4個61米高的預製混凝土塔基上,方便維修和檢查。與橋跨傳動類似,該設備使用上拉繩索和下拉繩索將主樑上下拉起,而不是依靠平衡重和滑輪的摩擦力來移動主樑。與塔式驅動一樣,設備被封閉在塔內,包括機械設備、線路、維修樓梯等。平衡重是用鋼箱裡的鋼板做的。為了確保性價比最高,使用的鋼材是與其他材料(如鉛)進行評估後選定的,並將密度與所需材料的總高度進行比較。升降塔上的玻璃窗戶可以為維護人員提供環境照明,還允許行駛車輛的司機在橋跨上升或下降時看到平衡重的移動。

  該橋的獨特之處在於,通過在塔樓上運行的導向滾軸,來調整橋跨的橫向和縱向伸縮位置。橋跨的初始位置是在車輛行駛層,並與其他橋跨有一個標準的指形接合。開口狀態時,允許升降塔的軌道通過跨度並繼續下降到鐵路層。在接口處有一個帶斜接軌道的板,可以連接到鐵軌上。因為通常在接口處不設置軌道以連接到下層的鐵軌,所以這是一個十分具有挑戰性的細節設計。

  在所有的可能性評估完成後,升降塔樓選擇用預製混凝土進行建造。這個選擇是最經濟的,因為預製混凝土分段澆築,上部結構的安裝、後張拉和環氧樹脂接縫所需的所有設備都可以現場取材。

  每座塔樓由21個預製混凝土節段澆築而成。施工現場採用標準節段混凝土配合澆築程序進行澆築。在前3個節段架設好並調整到合適的高度和坡度後,在下面澆築一個0.9米高的起始段,以建立初始的幾何線形。預製混凝土塔段需要放置在現澆基礎的頂部,為了確保沿著正確的初始幾何形狀澆築混凝土,需要分段安裝在臨時支架上進行,並作了適當的調整,預製混凝土塔段和現澆基礎之間進行了短暫的封閉澆築期。在整個安裝過程中一直監控線形,並根據需要進行調整,以減少安裝誤差。塔帽是預製混凝土結構,塔頂為現澆混凝土。

  有限預算下的創新解決方案

薩拉·米爾德里德·朗大橋的創新解決方案

  薩拉·米爾德里德·朗大橋是一座令人印象深刻的橋樑,它滿足了一系列複雜的功能需求,同時又兼具視覺美感,並與它所處的環境相融合。該地區包含兩個歷史悠久的城市,以及迷人的自然環境。要想在合理的預算範圍內同時滿足功能性和美學的要求,需要在佈局、設計、合同安排和施工管理等方面進行創新。

  通常具有這種複雜功能的橋樑,其外觀也會讓人看起來較為複雜。原先的那座舊橋就是一個例子。所以在新橋的設計上,採用混凝土分段施工,為工程美學提供了一種解決方案。在跨度方面,減少水中的橋墩數量,簡化了橋樑的整體線形;在升降塔樓方面,消除了常見的桁架支撐,隱藏了升降驅動設備。同時,高聳而有力的塔樓、簡單而堅固的橋墩,加強了這種美觀又充滿力量的感覺。

  在升降塔樓的頂部設計了一種可以顯示平衡重的進度條。當一艘輪船或一列火車將要通過大橋時,塔樓窗戶上垂直的條狀物會顯示出配重的移動進度,這對於因橋跨升降而被迫堵在路上等候的司機來說,是一種視覺補償。

  新的薩拉·米爾德里德·朗大橋改善了緬因州和新罕布什爾州之間的車輛、鐵路和通航路線。通過在整個設計和施工過程中使用創新的解決方案,克服了現場條件的困難,並協調了不同學科之間,以及業主、承包商之間,對於如何在有限的預算和緊張的工期挑戰下的不同意見,使這個美麗的結構可以迎接下一個世紀。


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