21个设计失误 · 10亿美元新大桥面临拆除重建

布法罗湾（Buffalo Bayou）被誉为休斯敦的母亲河毫不为过。

它起源于休斯敦本德堡附近的草原上，向东缓慢地流淌，最终汇入墨西哥湾。在19世纪，德州最早期的居民便在河的两岸聚集形成定居点。

布法罗湾的流向

随着两岸居民区的不断发展，布法罗湾阻隔两岸交通联系的影响开始显现。越来越多的高速公路与桥梁开始在河湾上空跨越。

1977年，一项大桥项目被提上了日程。这条大桥横跨起始于布法罗湾中部的休斯敦航道，采用了预应力混凝土箱梁方案进行建造，双向四车道的桥宽。大桥最终于1982年落成，被命名为休斯敦航道大桥（Sam Houston Ship Channel Bridge）。

1982年落成的休斯敦航道大桥

休斯敦航道大桥是当时西半球拥有最长箱梁跨度的桥梁，甚至中国在当年也有报道。

中国1982年的文献资料

然而，无论休斯敦航道大桥当年的历史多么辉煌，也无法改变一个事实：迄今它已经使用了将近40年。

桥体结构不仅存在使用寿命隐患，双向四车道的桥宽也逐渐不能适应日益增长的交通量。为此，当地政府在2017年启动了一项城市更新项目，其中一点就是把旧的航道大桥拆除，更换为分离式双向八车道的全新大桥。（以下均简称为新大桥）

航道大桥的更换计划

新大桥由美国的FIGG工程集团负责设计，该集团在美国全境设计了多座桥梁，可以说他们的强项就是桥梁设计。

与旧桥不同，新桥采用的是斜拉桥形式，跨越航道的主跨由设置在南北两岸的两个桥塔通过拉索吊起。斜拉桥可以实现更大的桥梁跨度，无须在航道内设置桥墩，相当于从另一个角度拓宽了航道的使用范围。

新大桥效果图

新大桥主跨长达402m，比旧桥的主跨（213m）长了足足将近200m。

新大桥的尺寸

为了承受如此长的跨度，两岸的桥塔高度也相应到达了157m。

桥塔的高度

每个桥台均由48根（6x8）直径2.4m的桩进行支撑。这些桩深入地层达70m。

桥台由长达70m的基础桩支承

从效果图来看，新大桥相比旧桥拥有更佳的观感。为了建造这座富有艺术性的大桥，工程总造价来到了10亿美金。

自2018年工程正式开工以来，新大桥已陆续施工了两边的引桥，两个高桥塔也继续往设计高度爬升。

桥塔已初现雏形

就在工程干得如火如荼时，2019年8月，整项工程却被紧急叫停。

这一切均起因于2018年3月发生在迈阿密的人行天桥倒塌事故。当时，施工中的天桥整体塌下，最终造成6人死亡。

很不幸，迈阿密人行天桥的设计方正是FIGG。美国国家运输安全委员会（NTSB）对事故进行深入调查后，认为FIGG在设计中的计算错误是导致人行天桥倒塌的主要原因之一。

此结论对FIGG产生了重大影响，直接导致了得克萨斯州和印第安纳州的政府和开发商对州内所有FIGG涉及的项目进行更仔细地审查。

其中，新休斯敦航道大桥也成为了被重点审查的项目之一。政府聘用了丹麦科威公司（COWI）担任审查顾问，负责全面审查新大桥的设计资料和施工方案。COWI是一家著名的国际工程顾问集团，参与了世界范围内多项重大桥梁工程。值得一提的是，COWI当年也是港珠澳大桥的设计顾问之一。

2020年3月，在新大桥工程被紧急叫停约半年后，COWI向大桥管理局提交了一份独立审查报告。

独立审查报告

报告中除了包含大量的分析与计算，还有一句掀起轩然大波的话：

“发现了21处地方需重点关切。（identifies twenty-one areas of significant concern.）”

报告中的这句话虽然说得很含蓄，但在看了这21点结论后，无论是政府部门还是媒体都立即将其解读为“设计失误”（design flaws）。这21点结论为：

虽然说根据结论，设计单位与承建商都有做得不到位的地方，但最关键的失误为第4点与第6点，这两点都与FIGG的设计分析息息相关。

在斜拉桥的施工中，典型的施工顺序大致如下：

显而易见，斜拉桥在承受侧向风荷载时，最不利的工况应该是梁体在中部合龙前。此时，由两边桥塔往前延伸的桥梁可以看作一根巨型的悬臂梁，侧向无任何有效支撑。

然而，FIGG在对施工阶段进行风荷载分析时，并没有考虑这些临时工况下桥体的动力特性差异，而是认为桥梁在施工阶段拥有固定的动力特性。

这种做法，可能会导致桥梁在施工至最不利工况时，出现预料之外的变形或失稳。

在桩基础设计中，根据桩受力特性的差异，主要可分为两种类型：端承桩与摩擦桩。

端承桩与摩擦桩

端承桩一般桩端坐落在岩石或坚硬的地层中，当上部传来压力时，主要由桩端区域提供反力。以下的图片可以直观的看到这种力学响应特点。

端承桩的受力特性

与端承桩不同，摩擦桩的桩端下部并没有坚硬的地层，因此主要由桩侧与土层之间的摩擦力提供反力。当然，摩擦桩的桩端也会提供部分反力，但它的贡献度不像端承桩那样占据主导地位。以下为摩擦桩的受力特性，反力由桩周一定范围内的土层提供。

摩擦桩的受力特性

新大桥桥塔处的桩基正是属于摩擦桩类型。休斯敦所在地区的地表以下，沉积有深厚的土层，要到大概2000英尺（约600米）深度才触及岩层。这种情况下，采用端承桩是不现实的。

休斯敦地区深厚的土层

在600m以上，绝大部分都是由一种被归类为Beaumont Formation的粘性土所构成。

粘性土是桩基础的主要构成地层

虽然桥塔的桩基深达70m，但主要仍是被粘性土所包围。

摩擦桩有一项很鲜明的特点，当一群桩聚在一起受力时，每根桩的受力并不是均等的，而是根据桩位置的不同有所差异。这个特点被称为「群桩效应」（Group Piles Effects）。

在群桩中，如果两根桩之间的间距过近，或者上部传来的荷载很大，两根桩往土层传播应力的区域可能会出现重叠。如果有四根桩，那四根桩的中心点区域甚至会出现四次的应力重叠现象。

桩间应力的重叠现象

桩间土层的承载力是有限的。当应力重叠过多时，土层并不会提供相应的承载力，因为它的承载力已经达到了一个极限点。也许单根桩时能承受500吨的压力，但四根桩加一起时，承载力却达不到4倍的2000吨。

假设桩群中每根桩的长度和直径一样，一般是角桩的承载力>边桩>中间桩。下图可以很直观地说明这个问题。

桩群中的受力特性差异

在FIGG设计的桩基础中，每根桩的受力都被认为是均等的，并没有考虑群桩效应的影响。根据COWI的重新检算，桩基础中角桩和边桩的受力会比中间桩更高，这与群桩效应理论是一致的。

如果按照FIGG原来的分析结果设计，部分基础桩甚至会出现承载力不足的现象。这将导致一个十分严重的后果：基础不牢，地动山摇。

FIGG被炒掉，COWI将接手新大桥项目进行变更设计。

新方案将增加约4亿美金的造价，其中包括部分已建桥梁的拆除费用。最终总费用比原来上涨了40%。

FIGG受迈阿密人行天桥和此事的影响，在2020年7月被联邦公路管理局处罚，在9年内「禁止」承接任何联邦政府的项目。

美国政府对于失信行为有着严格的管理制度，对于存在失信行为的企业，可能会受到「暂停」（suspension）交易或「禁止」（debarment）交易的处罚。两种方式的区别如下：

很明显，「禁止」已基本对企业的失信性质做出了官方定性。来自乔治·华盛顿法学院的Tillipman评论道：

“（Debarment）It’s called the corporate death penalty for a reason.”