现场预制 征服险境——Marc basnight桥解决方案

在美国北卡罗来纳州的12号高速公路上游览风景优美的北卡外滩，需要穿过俄勒冈湾，这是大西洋沿岸最危险的海湾之一。在那里，危险的湍流、变化莫测的水深和猛烈的风暴是经常发生的事情。自1962年完工以来，赫伯特·C·邦纳大桥一直是连接哈特拉斯岛和博迪岛的重要通道。但是，邦纳大桥在恶劣的海洋环境中遭受了严重的冲刷和恶化，需要持续的维修和改造。

2011年，北卡罗来纳州运输部（NCDOT）决定替换这座桥，为了满足100年的使用寿命、25.6m的容许冲刷高度和最低的环境影响等要求，新桥在设计和施工中进行了大胆的创新。最终建成长4506m的大桥，被重新命名为马克·巴斯奈特大桥（Marc Basnight）。为保证质量、耐久性、经济性和可施工性，大桥广泛使用预制混凝土结构，首次采用打入桩基础验证方法，以及创新的、对环境敏感的施工方法。在44个桩基承台和25个双柱桥墩中使用预制盖梁和预制立柱，而不是现浇混凝土，从而大大节省了整体进度和成本。该桥于2019年4月建成, 被《美国基础设施》杂志评为2020年度最佳桥梁。

俄勒冈湾并不是一个有利于建设和维护大型基础设施的地方,这里被认为是大西洋沿岸最活跃和危险的海湾之一，经常遭受强烈的飓风和风暴的影响。俄勒冈湾本身是非常动态的，随着潮汐和风暴的作用，不断移动的松散而沉积的沙子，每天都在改变着自然河道的大小、形状和位置，水深测量也在不断变化。

为了在现有的邦纳大桥单一的通航宽度范围内保持航行，美国陆军工程兵团(USACE)必须全年几乎不间断地疏浚航道。此外，由于该地点位于大西洋上，俄勒冈湾上的任何结构都要经受盐雾浸湿和干燥循环的不断冲击，从而导致腐蚀和结构恶化。

这些自然条件也促使新桥在建设过程中采用了前所未有的设计标准。地基的设计和建造将在某些区域受到0到25.6m的冲刷深度，以及3.8m/s的流速，风速高达46.94m/s (测量为“最快风速”)和9567kN的船舶冲击力的影响。由于自然航道位置不断变化，USACE和美国海岸警卫队(USCG)要求设计桥梁通航净空760m的“适航区域”。该区域内的所有跨度应提供至少60.8×21.28m的通航净空，以减少疏浚需求。此外，为了避免后续昂贵的维护费用，NCDOT规定了许多耐久性要求，以期实现100年的使用寿命。

与此同时，工地上的建设也受到了限制和挑战。大风、潮汐和频繁的风暴妨碍了施工，尤其是在深秋、冬季和早春。此外，几乎整个项目场地在某种程度上都被认为是环境敏感的区域。桥的南端位于由美国鱼类和野生动物管理局运营的豌豆岛国家野生动物保护区内，保护区内的建筑用地非常狭窄。与此同时，项目场地北面位于哈特拉斯角国家海岸内——同样严格地限制建筑用地的权限。由于现有桥梁距离这些地方较近，使得施工区域变得极为有限。在新桥完工之前，现有的桥梁必须一直保持服役状态，这也加剧了有限工作区域的挑战。这里的大部分地区也被指定为水下水生植被(SAV)栖息地；在这些地区既不允许挖泥，也不允许修建通道，这迫使团队使用临时的工作栈桥。该项目地点也相当偏远，附近没有混凝土搅拌站，只有双车道NC12公路可用于陆地上的材料运输。

重点在基础设计和施工

虽然该项目无疑带来了许多令人生畏的、甚至是前所未有的挑战，但DBT也认识到了在提高质量、耐久性、经济性、速度和环境管理方面的重大机遇。场地条件的一致性和该项目作为一个单一且长的、高架桥类型的桥梁，允许设计和建造可以采用简单又互补的方式进行。

在项目的前期投标阶段，DBT意识到替换邦纳大桥并不是一项“桥梁工作”。这是一个大型的海洋基础工程，只是在上面设置了一座桥。这种认识使得DBT将重点放在基础设计和施工上，这是项目成功的关键。结构和岩土工程团队创建了一个具有彩色编码的项目纵向图，说明了地下条件、冲刷剖面、船舶碰撞区和航行许可区，如图1所示。根据这幅图，项目被划分为五个区域：北引桥、北过渡桥、通航孔桥、南过渡桥和南引桥。这些区域既对应于冲刷剖面(也包含五个区域，每个区域都有规定的最小设计冲刷深度)，也对应于桥梁的垂直几何剖面。巧合的是，地下土壤条件在整个工程中都非常一致，主要分为两个区域，大致与五个桥区一致。对于桥梁的深基础来说，船舶碰撞力是一个主要的加载考虑因素，随着桥梁长度的变化，在南、北引桥跨度内的碰撞力较小，在南、北过渡桥跨度内的碰撞力较大，通航孔桥的碰撞力最大。

图1 纵向剖面图显示了桥梁区域、冲刷区域和地下状况（黄色为松散至中等密度的沙子，粉色为密集的沙子，绿色为黏土/淤泥）

预制混凝土的选择

考虑到所有不同的参数，每个区域都需要采用量身定做的设计方法，并可以广泛使用重复的构件。海水环境和招标书（RFP）强调的耐久性、抗腐蚀性和100年的使用寿命表明：适合采用混凝土结构，而处于偏远位置的项目现场也迫使需要使用预制件和模块化施工。所有的指标都表明，使用预制混凝土是最佳的设计方案。

本项目中使用的预制构件非常简单，并采用了大量重复的细节设计。这种重复导致了在制造和施工方面带来了显著的规模经济效益，再次降低了成本、加快了施工速度。由于设计区域与项目的陆上、水上和SAV区域大致对应，施工活动同样可以按区域进行定制。这些重点突出、量身定做的设计和施工方法，结合预制构件的广泛使用，形成了一个高质、耐久、经济的施工结构。

FIB梁的预制施工

从全桥的长度上来说，所有的南北引桥和南北过渡桥，占总长度（4506m）的75%，约3380m。上部结构由传统成型的现浇（CIP）轻质混凝土桥面组成，由预制预应力混凝土FIB梁支撑（图2、3和4），大约有长度达14.082km的FIB梁。CIP轻质混凝土桥面是一个简单的常规加固设计，采用不锈钢钢筋。大部分桥梁的路面横断面由两条3.648m车道和两条2.432m路肩组成，桥面总宽为12.946m。最常见的桥梁横断面采用4根FIB梁，跨径为49.198m。在南部过渡桥中，部分跨度采用了横向6根梁布置，跨径为55.328m。典型的连续长度为6跨一联，伸缩缝之间的单元长度为293.36m。任何FIB梁跨中都没有设置永久的中间隔板，但在伸缩缝处使用了全高度的端横隔板，其他桥墩处采用连续横隔板。所有的FIB梁均由带有不锈钢底板和锚栓的薄钢板弹性支座支撑。在某些情况下，当需要将船舶碰撞荷载重新分配到相邻的支座时，会设置钢筋混凝土剪力键。

图2 北引桥的典型剖面图（南引桥类似）

图3 北过渡桥的典型剖面图（南过渡桥类似）

图4  南引桥施工

FIB梁被设计为静载和活载的简支梁，但联内的墩顶采用典型的NCDOT连续横隔梁构造，以实现活载连续梁。桥梁两端的两个跨度使用1.143m高的FIB梁，而其余跨使用约2.44m深的FIB梁。所有梁的混凝土设计强度为55MPa，张拉时为44MPa，并使用直径15.24mm、1862MPa的低松弛预应力钢筋。为了便于制造，混凝土强度被限制在55MPa。由于更高的混凝土强度需要更长的固化时间，阻碍了快速循环台座的预制效能，这也是考虑到需要预制超过300片梁的关键因素，或者需要使用更具挑战性的配合比设计，削减热开裂的风险等。所有的梁都被施加了大量的预应力，通常使用超过60根直径15.24mm的钢绞线，从而使设计在使用荷载条件下没有拉应力（AASHTO正常使用极限状态III），以提高耐久性。在梁端，组合采用了预应力筋隔离失效和预应力筋弯折技术，避免预应力释放时梁体两端的爆裂和拉应力。为了解决预应力主梁的预拱度变化，使用了4种不同的预拱度计算方法来包络预估的最小和最大预拱度；最大的预拱度用来保证梁的尺寸，最小的预拱度用来评估主梁是否有足够的预应力来提供桥面板安装后是否还能上拱。

通航孔桥节段式箱梁的悬拼建造

通航孔桥共11跨，长度为1079.2m，典型跨径为106.4m，边跨跨径为60.8m，并延续了相邻预应力梁区域内的桥面宽度。该单体是一个后张法预应力混凝土节段结构，由238个单室预制箱梁节段组成，支撑在后张法预制混凝土柱上（图5）。该部分桥梁的11跨中的9跨提供了高于平均高水位21.336m的最小通航净高。考虑到上部结构的梁高变化，符合上述航行区垂直和水平净空定义的桥梁长度约为941.8m，超过了USACE和USCG要求的762m。

图5 通航孔桥施工（显示了预制混凝土后张法节段

    混凝土箱梁上部结构的平衡悬臂施工）

变高度的连续梁既提供了美观且经济的解决方案，又支持了平衡悬臂施工方法的应用，实现了106.68m的典型跨径。在这种方法中，上部结构在桥墩两侧施工形成平衡的悬臂结构。

在施工现场，采用桥面吊机将预制节段起吊，接头采用环氧树脂，并用临时后张预应力筋与前一节段相连。在悬臂两端的梁段，环氧树脂固结后，张拉永久性悬臂预应力筋，即可进入下一节段的安装。在相邻的两个悬臂完成后，浇筑合龙段，实现结构在跨中处的连接。张拉顶底板合龙预应力钢筋，以实现结构的连续性。

纵向后张法预应力由18或22股悬臂预应力筋束和12、16或20股连续预应力筋束组成，放置在塑料管道内并进行高强度灌浆。在每个悬臂端上设置一对应急（预留）管道。横向后张预应力采用4股预应力筋束，25.4mm×76.2mm的扁管，间距约0.9m、0.15m。所有钢束均由直径为15.24mm、1846.8MPa的低松弛预应力钢绞线组成。所有横隔板均采用直径为1～3/4英寸1026MPa的竖向预应力（PT）钢筋，以抵抗纵向预应力张拉引起的竖向裂缝。箱梁顶部和底部板提供临时齿块，便于在分段安装期间重复使用临时PT钢筋。

墩顶梁高5.79m，跨中梁高2.74m。底板厚度从墩顶的60.96cm变化到第五段的25.4cm。由于采用驳船运输节段，因而长度不受公路运输制约，采用了4.3m，减少了现场作业量，也符合桥面吊机对节段重量的要求。典型节段重量从94吨到132吨不等。由于墩顶段重量更大，采用了1.524m长的两半来组成，各重92吨，由临时和永久的PT钢筋连接。

图6 在北引桥直径1.372m的预制混凝土圆筒桩上设置第一个预制混凝土盖梁，形成一个全预制的下部结构单元

悬臂安装时，通过使用直接支承在承台上的钢脚手架来抵抗节段安装期间的不平衡力矩。在第一个和最后一个边墩处，分别设计了结构和临时塔架，避免了在海洋环境中为端跨侧13个悬臂段和端跨侧12个悬臂段设置昂贵的支架。在这些特殊悬臂的施工过程中，使用配重来减少下部结构的不平衡。

上部结构由每个桥墩处的两个盆式支座支撑，整个1066.8m联长由两个中间桥墩提供纵向约束。其他桥墩的支座设计为纵向滑动，以释放温度应力、徐变应力和收缩应力。临时固结滑动支座允许悬臂安装，并且在每次合龙段浇筑和连续预应力张拉后，实现结构的连续。之后，解除滑动支座的临时固结锁定。施工程序包括在中跨合龙前进行跨中顶推，以应对中间两个固定桥墩之间梁的长期徐变和收缩效应。

新建的邦纳大桥所需的100年使用寿命是通过一些设计和施工技术实现的，其中许多在招标书中已明确作了规定。包括对混凝土配合比设计的许多要求，这些要求极大地提高了桥梁所有混凝土构件的耐久性和寿命。例如大量使用粉煤灰或磨细的高炉矿渣和硅灰，低水灰比，以及使用亚硝酸钙腐蚀抑制剂掺和物。此外，除了栏杆使用了环氧树脂涂层钢筋，所有现浇混凝土都需要使用不锈钢钢筋。

在整个结构中，对各种构件和情况都明确规定了最小混凝土保护层尺寸。此外，严格的设计标准，如预应力混凝土构件在使用荷载条件下，不能出现拉应力等要求，增加了材料和施工要求。DBT使用LIFE-365程序进行了使用寿命分析研究，并确定所有构件将提供所需的使用寿命。

虽然该桥的大部分材料是混凝土（按照招标书的要求），但一些次要的项目必须是金属的，也要符合各种规定和要求。例如，混凝土护栏上的两根金属栏杆被指定为实心铝制造。支撑FIB梁的弹性支承垫的底板是由实心不锈钢制成的，桥梁上的其他几个小金属构件也是如此。不能用实心不锈钢制造的金属部件，用99%的铝热喷涂涂层进行金属化。当铝的表面需要与潮湿的混凝土接触时，会指定适当的隔离细节。

大桥位置毗邻大西洋和帕姆利科（Pamlico）海湾，使桥梁基础和上部结构在热带气象和北美东海岸风暴灾害期间受到风暴潮、局地风和海浪的影响。为了获得设计条件，分析采用了一个建模程序，使用最新的滞后预测技术（耦合了ADCIRC+SWAN模型），滞后预测了过去160年中影响俄勒冈湾地区的飓风，以及三种海湾入口构造情况下的冲刷。当地桥墩的冲刷计算采用了佛罗里达州交通部（FDOT）《桥梁冲刷手册》中的方程式和方法，对一些更复杂的桥墩进行了物理模型冲刷试验（在科罗拉多州立大学水力学实验室进行）。拟建桥梁预测的冲刷高度高于招标书要求的最低冲刷高度。根据招标书的要求，邦纳大桥的替代桥梁设计采用了招标书中提出的更为保守的冲刷标高。尽管桥梁上部结构的最低部位超过了100年一遇的波峰高程，但下部结构却在波峰之内。波浪对承台的冲击可以在海床产生巨大的力矩。AASHTO的《易受沿海风暴影响的桥梁指南规范》，提供了计算这些构件上的波浪力的方法。

图7 安装混凝土桩

事实证明，桥梁基础的设计和施工非常具有挑战性。由于设计冲刷深度高达 84 英尺，并且具有包括风载荷、波浪载荷和船舶冲击载荷在内的非常大的横向载荷，地基必须通过致密沙层延伸到相当大的深度，以获得足够的横向阻力。在对各种基础选项（包括传统钻孔桩和混合桩——竖井基础等创新系统）进行深入审查后，DBT 选择使用先喷射后打入的预应力混凝土桩。由于需要建造非常深的地基以解决极其严苛的设计冲刷包络深度所带来的挑战，因此开发出一个全新的程序来确定桩所需的阻力。该程序基于桩的轴向阻力的弯曲特定现场测量，结合了特定的先桩端喷射然后打入的安装方法，消除了过程中存在的过度保守，同时增加了对最终结果的信心。

4506m长的马克·巴斯奈特大桥是一座巨大的结构，建于具有挑战性的海洋环境中，其设计使用寿命为100年，维护费用极低。通过灵活的设计和施工，开发出一套极其经济、耐用、可施工的设计，并培养出能够与政府和各种参与机构的一种合作精神。这种合作的结果是，在这个原始沿海地区，建造方法可以最大限度地减少对环境的临时、甚至是永久影响。

图8 主梁施工

桥梁建设涉及约 68810立方米的混凝土，其中约45873立方米采用预制混凝土结构形式。预制混凝土构件的广泛使用，包括约5.472km的预制圆柱桩、19.312km的预制方桩、0.93km的预制盖梁、0.48km的预制柱、14.08km的预制 FIB 梁和 1.08km的预制节段箱梁，大大提高了结构的质量和耐久性，同时促进了更快、更安全和更经济的施工。使用预制的桩基础，而不是现浇混凝土，大大节省了总体进度和成本。而该项目的投标价格也证明了这种方法的价值：PCL 团队的投标价格比最接近的竞争对手少了 6400 万美元。