快速医治 延长寿命——美国斯卡吉特河大桥的修复

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时间回到2013年5月23日晚7时许，位于美国华盛顿州的斯卡吉特河大桥发生垮塌。一辆载有特大号货物的拖车，因超出所行驶车道的限高，撞到了桥梁上方的桁架，导致其中一跨的桁架结构断裂，掉入斯卡吉特河里。所幸，无人在这场事故中丧生。

斯卡吉特河大桥修建于1955年，共4跨，每跨长约49米，采用钢桁架结构设计。由于它横跨在华盛顿州的柏林顿（Burlington）与弗农山（Mount Vernon）之间，是西雅图、温哥华和加拿大不列颠哥伦比亚省三地之间的一条运输主干线，在垮塌之前，每天要通过71000多辆机动车。

事故发生后，华盛顿州巡逻队（WSP）、华盛顿州交通运输部（WSDOT）和地方主管部门立即作出反应，在斯卡吉特河大桥的东、西两侧设置了交通临时管制措施。同时，WSDOT立即与桥梁工程师进行沟通，对该桥的损坏情况进行评估，并与承包商紧急签订合作协议，移除倒塌的桥跨、安装临时桥跨，使州际公路以最快的速度恢复通行。

轻质混凝土梁修复方案

在斯卡吉特河大桥垮塌的几小时内，WSDOT就如何尽可能又好又快地修复损坏的桥跨、恢复公路交通进行了讨论，并迅速制定了修复方案的设计要求，包括施工时间的要求、垂直净空的要求和上部结构恒载的要求。

为了尽量减少交通中断，需要设置并排的单车道模块化临时桁架桥（由ACROW提供，随后由永久桥跨替代）。由于桥下有通航净空的要求，所以需要留出大于或等于原桁架桥跨的净空高度。而且，为了最大程度上减小对现有桥梁下部结构的附加地震惯性力，新的桥跨自重不能超过原桁架桥跨自重的5％以上。

WSDOT研究了3种永久性修复方案：与原桥近似的钢桁架、钢-混凝土叠合梁和预应力混凝土梁。钢桁架尽管重量轻且在美学上与原桥保持一致，但制造和架设都非常耗时。当局随即提出最有可能采用的结构类型为钢或混凝土梁。

共有4个设计-建造团队提交了方案，有两个方案提出采用钢梁，另两个则提出使用预应力混凝土梁。WSDOT选择了最具性价比的方案，即预应力混凝土梁。主梁、隔板和护栏使用轻质混凝土，确保新桥跨的自重在规定的恒载极限范围内。轻质混凝土DBT（Deck Bulb Tee）梁方案，不仅节约了施工时间，还大大节约了成本。

轻质混凝土梁修复方案

针对斯卡吉特河大桥，WSDOT提出了一种基于桥梁快速施工技术的永久性置换桥跨的方案。即在大桥封闭的19个小时内，将临时桥跨移出，再移入新的桥跨。

采用现行的LRFD桥梁设计规范和WSDOT的桥梁设计手册，对新桥进行结构分析和设计。WSDOT的桥梁和结构办公室，对新桥的设计、施工图和施工送审文件进行了详细的审查。

为了限制上部结构的重量，将每片梁的间距设计为2.316米，以使替换结构尽可能的轻。采用2.316米的间距也相当于减少了一片梁，从而降低了上部结构的总重量。包含轻质混凝土护栏和混凝土覆盖层在内，新的上部结构总重量为915吨，在合同要求的范围内。

梁的反拱度差异和混凝土覆盖层的反射裂缝，属于预应力筋造成的长期损失。为减少反射裂缝，需要在上部结构设计中使用38 毫米的混凝土覆盖层代替HMA，以及使用高强度混凝土进行封闭，并用钢筋搭接代替焊接。

在浇筑混凝土覆盖层之前，先用找平梁调节因预应力张拉造成的反拱度差异。主梁的预拱度设计值为16.51厘米，施工预拱度略高于此数值。新的上部结构的跨高比为29.5，符合LRFD桥梁设计挠度标准。

主梁的混凝土抗压设计强度为62MPa，预应力张拉时混凝土的抗压强度为48MPa。轻质混凝土的配合比，每立方米为1952千克，主梁的设计自重为每立方米2128千克，共使用了48根15毫米直径的钢绞线。

在距梁端6米的地方，中间横隔板位置处设置了两个临时支座，以满足梁体的移动。在梁的上翼缘还布置了临时预应力筋，以补偿临时支座处因负弯矩引起的应力。

该修复工程以快速施工为目的，采用设计-建造相结合的方法。工作范围包括在大桥的两个临时桥跨旁建造新桥跨，然后拆除临时桥跨并放置永久性桥跨。

新的上部结构是在钢桩和支架上建造的，位置正好在临时桥跨的下游，如图1所示。

图1 在钢桩和临时支架上建造新的梁体

这些梁是用一台500吨的起重机架设在河堤上，用一台200吨的起重机架设在Flexifloat驳船系统上。起重机的起吊操作非常精细，每吊起一片梁需要完成19次特定动作，包括将梁端从堤防中移至驳船起重机，将梁塞入驳船起重机的吊臂下方。同时对驳船系统进行压载，再将驳船作为压载物进行压载，最终将大梁放置在排架上。

一排独立的钢桩和支架被用来支撑导轨系统，这个系统将临时桥跨滑出，并将新桥跨滑入到位。

之后，将每片梁捆绑在一起，并在梁和端横隔板之间浇筑封闭物。然后浇筑轻质混凝土护栏和38毫米厚的混凝土桥面板覆盖层，还使用现浇钢筋混凝土安装了单独的一组中隔梁或顶梁。

图2 将桥梁滑入到位的千斤顶

如图2所示，使用由临时桩基和排架支撑的导轨系统，同时安装垂直和水平的千斤顶。

为完成新桥跨的安装，首先将临时桥跨从现有的下部结构上吊起，滑到桥梁上游的临时支架上。新桥跨以类似的方式移动，只需要将其移动1.27厘米就可以安装到位。安装新桥跨并使高速公路恢复通车仅用了不到19个小时。临时桥跨被拆装到Flexifloat驳船上，河中所有的临时桩也被移走。

由于成功地替换了倒塌的桥跨，而交通关闭的天数总计只有28天，使得设计师和承包商几乎没有休息的时间。随着永久性的桥跨更换到位，WSDOT将注意力转向其余的桁架部分及桥梁的净空。尽管卡车司机要对他们的超限超载负责，但各州还是应谨慎控制车辆超高对桥梁撞击的风险，并在可能的情况下采取缓解措施。在这种情况下，这意味着拆除和更换最低高度的桁架部件，增加两个外部车道的垂直净空，从而进一步延长5号州际公路上斯卡吉特河大桥的使用寿命。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2020年 第1期 总第9期

作者 / W. Phillip Yen

Bijan Khaleghi

作者单位 / 华盛顿州交通厅桥梁与结构办公室

翻译 / 单霏霏

编辑 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 王硕

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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