来自密西西比河的挑战一座钢拱桥的快速施工与EPC模式

黑斯廷斯新型系杆拱桥位于美国明尼苏达州黑斯廷斯市，横跨密西西比河两岸，是一座全面采用桥梁快速施工技术建造的系杆拱桥。该项目总造价1.2亿美元，平均桥梁成本520美元/平方英尺，2010年开始动工。明尼苏达州交通厅充分进行了钢材成本效益分析，采用设计—施工协同合作，于2014年修建完成。

明尼苏达州交通厅通过一系列方案比较，最终确定了这座全长545英尺独立式系杆拱桥的综合设计、施工和安装方案。修建这座新桥的目的是替换旁边一座1950年修建的两车道连续钢桁架桥。另外，这座新桥还是明尼苏达州明尼阿波利斯市I-35W大桥发生坍塌事故后，第一个采用快速施工技术的设计—施工总承包项目。

快速施工与总承包模式

设计和施工团队在早期共同开发和评估了明尼苏达州交通厅提出的斜拉桥和提篮式系拱桥方案。最终，该团队选择了无风撑系杆拱桥设计，这种设计可以利用变截面梯形箱梁钢拱肋和冗余钢横梁/纵梁系统，来简化两个全独立拱肋和现浇后张拉混凝土系杆桥面系统的施工。为了提高质量，加快施工图纸的绘制速度，减少项目进度风险，设计—施工团队还邀请钢结构制造公司共同加入到整个项目的设计当中。

施工团队充分利用了钢材成本低和轻质的特性，选用了一种创新的施工安装工法。这种工法通过在陆地上预制桥梁主跨，然后使用自动化模块运输车（SPMTs）、驳船和千斤顶将桥梁钢拱运输到最终位置，从而达到快速施工的目的。在此后的施工中，施工方在36小时内，便完成了桥梁主拱吊起和架设。这次架设施工的一个关键特点，是使用千斤顶来重新精确定位主桥墩间的主跨位置。对于这座545英尺长的桥梁主跨来说，施工所允许的误差仅为微小的几英寸。在这次桥梁架设施工过程的所有阶段，都突出反映了钢材良好的材质性能。因此，在桥梁系杆和桥面混凝土施工之后，一些关键的钢构件仍然被安装保留在桥梁结构之中。

来自密西西比河的挑战

施工过程中面临的最大挑战，来自于密西西比河本身。大桥位于密西西比河2号水坝下游1英里处，密西西比河和圣克罗伊斯河交汇点上游3英里处。在通航季节，大桥管理部门需要不断和美国海岸警卫队协调，来控制水坝的开关运转。同时，密西西比河还存在冬季河面结冰、春季洪水泛滥等问题，这些都是设计团队需要面对的风险和挑战。因为传统的斜拉桥方案需要进行多年的高风险连续吊装作业，所以项目团队最终选择了一次性桥梁主跨吊装的方案。为此，明尼苏达州交通厅还专门为施工方提供了一个桥梁主拱架设施工的临时作业区域，用于桥梁主跨拱装、驳船装载作业。

大桥的最终设计必须严格满足冗余度和耐久性要求，并且要超过美国公路桥梁设计规范（AASHTO）和美国联邦公路局（FHWA）的设计规范标准，其中就包括大桥设计使用寿命必须达到100年。另外，明尼苏达州交通厅还补充了美国公路桥梁设计规范（AASHTO LRFD）的部分内容，又考虑了额外活载、荷载组合、强度和服役设计的冗余活载等情况,以及对地区特定风载荷进行了分析。即使是在桥梁发生损坏时,这些附加的要求也保证了大桥底梁在使用状态下和极限强度下的运营能力。

竞争性选择方案

明尼苏达州交通厅设计—施工团队通过替代技术概念(ATC)选择了两个基本设计方案，其中包括一个菱形桥塔斜拉桥结构和一个提篮式网状系杆拱结构。

征询方案（RFP）的要求、最佳价值的评分、施工成本、施工风险都会影响桥梁构件的最终选择。独立钢拱肋结构不仅易于维护，而且造型美观，同时还简化了生产制造过程，使每个拱圈都可以独立进行拼装。

为满足桥面系统冗余度要求，大桥主梁钢格栅系统采用全深度纵梁框架设计。所有的桥面底板和纵梁都必须满足在断裂情况下全部可以使用，并达到强度标准的要求。另外，标准规范规定桥面板必须一次性可以更换一半，这也促使项目团队采用锥形桥面梁和全深度纵梁。

为了满足系梁严苛的冗余度和负载要求，项目团队选择了后张拉混凝土系梁和桁架连接件。这一方案同时还改进了大桥的检测维修系统，不仅消除了一切拱肋在车间预制中的问题，还在桥梁施工过程中提供了完整的系统主动张力控制。

快速施工技术的应用

项目团队对桥梁快速施工技术非常关注，决定在桥梁下部结构施工的同时，在场外预制拼装桥拱，然后再将桥梁主跨移动到恰当位置。由于重心较高、水流湍急，施工团队认为通过搭建临时塔吊进行拱桥施工的方法风险太大。因此，项目团队选择在陆地上进行拱桥拼装，然后通过驳船将其运输到合适位置。

这种方法要求在移动和吊装作业中，将结构的重量最小化，同时优化并提升后面的施工进度。为了实现这一目标，钢拱肋、吊杆、桥面系统提前在临时作业区拼装完成，并通过临时钢拉杆和连接部来稳定拱肋在运输和吊装过程中的稳定性。

钢拉杆：每一个临时钢系杆都由两根W36x194钢梁组成，为拱肋架设和混凝土系梁放置提供必须的联系力。为了加快施工进度，混凝土系梁模板和钢筋在施工前就已经固定在系梁上。在对混凝土系梁进行浇筑和后张完毕后，临时钢拉杆在桥面铺装前将被拆除。

钢连接部：永久拱肋和临时系杆之间的连接对施工架设和最终成形都至关重要，也是最终工程的一部分。为了和临时钢连接部匹配，拱肋的末端进行了专门的设计。连接部本身主要由两个1-3/4英寸厚的倾斜“K”形板组成，大约12英尺高，19英尺长。“K”的上腿和拱肋与下腿和临时系梁连接。钢板通过内部框架支撑，形成一个非常坚固的“关节箱”。“关节箱”中还设计了专用的2英寸厚加强提升板，用以作为施工后的拉索千斤顶吊装连接件和支座的支撑。整个临时钢连接部将和最终混凝土连接部融为一体，并通过混凝土系杆系统的后张拉进行正向荷载传递。

拱支撑梁：由于拱架位于桥墩之间，项目团队必须设计一个临时支撑来支撑吊装完成后的拱架，整个拱架和桥面系统自重约为180万磅。随着混凝土连接部和系梁的浇筑，这个临时支撑也将被永久地留在桥中。同时，设计团队还开发了一种类似支撑梁的加劲箱，在吊装作业结束时，可以将其顶入临时连接部的后面。钢拱反应力，通过临时连接部上的2英寸厚的加强提升板施加在横梁上；连接部由4根浇筑在桥墩顶部、直径2.5英寸的后张拉钢筋保持稳定。

拱肋支撑/K形连接部支撑：为了保证拱肋的稳定和准直，拱肋需要在混凝土连接部、系梁、桥面就位前进行临时支撑。临时支撑主要由24英寸管柱和位于拱肋1/3点的单对角线杆件组成。为了适应拱桥在吊装、混凝土浇筑和后张拉施工过程中发生的桥面和拱肋间的垂直挠度偏转，项目团队对上部结构进行了专门的设计。同时，为了稳定临时连接部并为桥梁提供额外刚度，拱圈的每一端都提供了额外的“K”形支撑。

桥梁架设拼装

由于桥梁钢构件需要在三个不同的车间进行生产制造，桥梁在架设施工时需要遵循严格的误差要求并做好相应的管理工作。为了满足施工工期的要求，施工方选择在一个车间里建造桥面横梁、纵梁和下侧支撑，在第二个车间制造拱形钢和临时连接部，在第三个车间制造临时拉杆。问题的难点在于，总承包方不仅需要自己制造拱支撑、临时拉杆横隔板和临时拉杆支撑，还需要将三个车间生产的不同构件拼装在一起。为了降低临时连接部与临时拉杆之间的拼装风险，施工人员选择在现场对超长长度临时拉杆进行拼装和末端钻孔作业。同时，还选择自上而下的拱肋安装方法，因为从临时连接部向跨径中心进行拼装的难度和风险都过大。为了保证拱门中心和桥面板梁系统的中心点对齐，施工单位对中心构件也进行了仔细的测量。桥拱构件都使用相似的方式通过塔式起重机固定在桥跨中心位置，剩余12个塔吊将构件在高处旋转进行位置的调整。当拱构件和临时系梁、吊索、桥面系统拼接以后，就不存在错位和失配的问题。

桥梁运输过程

桥塔吊装：用提前设计好的临时支撑将两侧拱架支撑起来，桥面系统连接部以下必须满足自动化模块运输车（SPMT）直接通行。整个吊装作业需要将桥梁拱架的重量从支撑塔转移到SPMT上，预计吊装过程会造成4.3英寸的延伸，因为整个结构将从连续梁结构转变为全功能系杆拱结构。为了保证吊装过程中可以实现自由转动，这个延伸情况可以通过临时旋转桥梁一端的SPMT滚动轴来进行调节。

陆地到驳船运输：由于该地区土质条件差，底土容易受到污染，又邻近航道，于是项目团队决定修建两个临时栈桥将整个桥梁结构运输到驳船上去。栈桥的外形设计可以满足桥梁横向同时旋转，最大铅垂线偏差为3.43%，承载力为3565吨，可从9英尺高度吊装到运输驳船上。模块化运输车必须满足最大斜度为2%的旋转调整。整个系杆拱结构从临时作业区到驳船的横向移动距离为405英尺，移动过程共花费大约8个小时。同时，为了控制6英寸以内的支撑公差，模块化运输车的整个移动过程被随时监控。

驳船运输：桥梁结构从陆地到驳船之间的吊装完成后，还需要16个小时对整个驳船运输系统进行稳定。然后，整个桥梁结构和驳船将移动并停泊在主航道外的临时位置，等待一个窗口期并做最后的运输安排。在得到美国海岸警卫队和明尼苏达州交通厅的批准之后，项目团队将对河流航线和61号公路大桥进行关闭，并准备将系杆拱结构运输至下游码头。3艘牵引船在经过1小时的作业之后顺利将结构运输至桥梁指定位置。因当时气象部门预测运输当天会有大风，项目团队还调来一艘额外牵引船进行协助作业。

驳船到滑动台的弯曲运输：由于南侧桥墩水域较浅、岸线 ** ，拱结构无法在桥墩之间直接进行吊装作业。在垂直吊装之前，为了保证桥梁结构和桥墩对齐，需要使用一个临时支撑系统将结构先向南移动，然后向东移动。为了解决这个问题，施工团队开发了一个有创造性，同时又循序渐进的解决方案——

◆驳船逆流而上停靠在桥墩附近；

◆将南部拱架转移到滑轨台支撑上；

◆通过滑动台千斤顶将位于岸边的拱架向南移动到与桥墩对齐位置；

◆将南部拱架支撑转移到东西对齐的新滑轨上；

◆通过在南侧支撑的滑动台千斤顶将拱架向东横向移动到指定位置，同时使用滑动台千斤顶和模块化运输车组合从北部驳船上进行向东的移动作业。

南侧滑动 ** 成整个转移作业共耗时10小时，完成转移以后，南侧驳船将会移出并排出压舱配重水，北部的驳船将向南移动。从北部驳船向东移动到最后的预吊装位置共耗时12小时。

桥梁吊装

支撑墩用来承受来自定制吊架的悬臂荷载，吊架支撑的玛姆特大容量拉索千斤顶在驳船运输前就已经安置在现场。为保证定制的玛姆特千斤顶锚固销与临时连接部完全匹配，该公司所有的销都是定制的。整个吊装过程必须在3小时的窗口期内完成，在接下来的10个小时里，拱结构需要进行顶升、安装支座并永久固定在桥墩之上，施工结束后，航道和公路交通才可以重新开放。

黑斯廷斯大桥的设计和施工采用了一套独特的解决方案，既有效地解决了项目中遇到的难题，又充分利用了钢结构在桥梁架设和施工中的各种优势。同时，设计、施工团队的协同工作，也让该项目团队找到了这一最佳的解决方案，并最终中标该项目。