I-91高速公路29出口匝道立交桥

I-91高速公路29出口匝道立交桥

哈特福德，康涅狄格州

桥梁数据：

跨越：5/15号高速公路，南向段

跨度：140ft., 215ft.，215ft., 170ft.，140ft.（42.67m，65.53m，65.53m，51.82m，42.67m）

总结构长度：880ft.（268.22m）

平均结构宽度：51ft., 10in.（15.80m）

单位面积用钢量：0.0328t/ft . ² （0.353t/㎡）

总用钢量：1,511t

造价：1,892万美元（约合人民币1.32亿元）

涂层/防护：采用了耐候钢

长久以来，位于康涅狄格州哈特福德的I-91高速公路29出口一直因为交通拥堵而饱受诟病。

这个出口匝道连接着I-91高速公路北向段和5/15号高速公路，后者是位于哈特福德东部的I-91和I-84高速公路之间的重要连接段。早先的出口匝道是一个带有陡坡的单车道，在这个和5/15号高速公路相交的地方有着大流量的交通负载，因此也导致了大量事故和延误的发生。对这个立交桥的改造、升级是康涅狄格州交通部CTDOT最重要的事情之一，对立交桥处的重新布局带来跨越5/15号高速公路南向段的两车道新高速公路匝道。

新匝道是一个直线形匝道，以一个非常平坦的角度跨越了一条曲线形道路，给下方的路面带来了重要的几何影响。由于锤头式桥墩较低的竖向净空，桥下道路的竖向几何尺寸限制了机动车在拟建的锤头式桥墩承台下的通行能力。有3个可能的解决方案：抬高桥梁、降低路面或者减小桥墩承台的宽度。前两个方案都不可行，因此项目团队打算减小桥墩承台的宽度并采用梯形梁截面。这个解决方案使得设计团队将桥梁的支座定位在更靠近桥梁中心线的位置，因此将桥墩承台的宽度减小了8ft.（2.44m）。减小桥墩承台宽度也降低了混凝土用量并减小了作用在较短悬挑上的弯矩，从而降低了桥墩的造价。桥梁的这种几何布置也提高了其美观程度，因为无需设置外部加劲肋的梯形梁也能打造出更清爽的线条。和垂直腹板相比，梯形梁的倾斜腹板自古以来就一直是基于桥梁美学的自然选择，因为倾斜的腹板会将人们的视线吸引到支承着桥墩承台的单柱上，展示了结构受力是如何从上部结构传递到地面的。

使得这座桥梁尤为突出的另外一个重要因素是跨越弯段的创新性运用。其目标是要设计一根起到冗余作用的梁，项目团队在设计中纳入了荷载路径冗余构件LPRM（Load Path Redundant Members）法。通过将一个典型的单室箱梁截面转换成一个带有3根工字形梁的构件来实现该方法。采用有限元分析设计了横隔板，可将受力均匀地分配给每根钢梁并且在某根钢梁翼缘断裂时将荷载传递给其他梁。设计团队还提出了一种“整体式”跨越弯段概念以及一个上部结构架在上面的“堆叠的”跨越弯段方案。

在跨越弯段处有足够的竖向净空来堆叠结构构件，从而可以实现一个更简单、更经济的设计。设计团队提出了类似的细部构造作为一个整体的“框在里面的”设计。因此，3根工字形梁的设计几乎可以被用在任何钢桥的布局和构造中。该项目采用的跨越弯段法代表了钢桥世界中的游戏规则改变者。直到今天，所有的钢结构的跨越弯段——都是采用典型的单室箱形截面——再一次被归类为断裂临界单元（Fracture-critical Element），这极大地限制了钢材在跨越弯段中的使用。3根工字形梁的构型可以提供荷载路径的冗余度，因此不会被认定为断裂临界构件，也免去了长期的检验要求。除此之外，这些钢梁被设计成具有无限疲劳寿命的，从根本上消除了疲劳裂缝发展的可能性，更不要说会出现断裂。3根工字形梁的设计也为钢结构承包商提供了多种可选的运输和包装方案。钢结构承包商可以根据卡车和起重机的尺寸来将跨越弯段设计成分别按照一段、两段或者三段来进行运输和安装的从而实现最大效率，消除了超重的潜在可能，这也有助于降低成本。事实证明在29出口匝道立交桥上应用果然如此，钢结构承包商选择了将跨越弯段梁分成两段来运输，一旦到达现场，在地面上将两个梁段用螺栓连接在一起并作为一个整体安装。

3根工字形梁的跨越弯段概念还带来了另外一个令人诧异的好处：这是一段加工起来非常经济的桥段。在设计阶段，当考虑到加工成本时，设计团队起初认为这3根构件的加工费用可能会比单根箱梁的加工费用要稍微高一些，依据就是尽管3根工字形梁的总翼缘面积和单根箱梁的翼缘面积比较相近，但是3根工字形梁有3个腹板，而7根单箱梁只有两个腹板，这可能会增加一些费用。但是项目团队进一步决定采用3根工字形梁方案，是因为从长期来看，该方案节省了断裂临界检验的费用，这会抵消掉一部分初始加工费用。让人讶异的是，设计团队最初的想法被证明是有误的，结果发现3根工字形梁的加工费用大体上要低于单根箱梁的加工费用，钢结构承包商也找出了若干原因：加工箱梁的时候在腹板和翼缘之间需要采用全熔透坡口焊，此外，一些设计师指定在那些要提供内部冗余度以及要达到疲劳B级构件的位置采用螺栓连接。在工厂里进行坡口焊和螺栓连接都是昂贵且费时的。相反地，进行工字形梁的腹板和翼缘之间的焊接只是一个采用普通钢梁加工设备就可以进行的普通工厂操作，这就使得3根工字形梁的加工费用相对低廉。另一方面，由于工作空间受限，在箱梁内焊接加劲肋和连接板不仅费时也增加了安全风险，因此也是比较昂贵的。3根工字形梁确实也需要带有螺栓的内隔板，但采用现代化的数控设备就可以快速地对这些钢板进行切割和钻孔用于连接隔板。以上这些因素导致了采用3根工字形梁的跨越弯段要比采用等效箱梁的跨越弯段降低了约50%的费用。

在考虑匝道上部结构的防腐保护方面时，康涅狄格州交通部CTDOT选择了无防护的耐候钢。康涅狄格州交通部采用无防护耐候钢的历史非常悠久，可以追溯到20世纪60年代早期，且在最近刚刚完成对其防腐性能的研究。研究发现采用高质量细部构造的耐候钢桥的防腐性能是非常出色的。另外，一些最古老的无防护耐候钢桥在服役超过55年之后仍然保持良好的状态，进一步坚定了康涅狄格州采用这个防腐方案的决心。

关于这个设计的消息已经传开了。得克萨斯州和乔治亚州交通部，这两个都是传统上采用混凝土跨越弯段的部门，已经都认可3根工字形钢梁的跨越弯段方案是可以大范围推广的。在乔治亚州交通部，钢制的跨越弯段之前从未被允许使用。这个大反转证明了设计的重要性及其对钢桥行业的影响，这两个州以及其他州都在将这个钢桥“工具箱”作为其设计的一个重要工具。

业主：康涅狄格州交通部

总包：O&G/BHD合资公司

结构设计：CHA咨询公司

钢结构加工：High钢结构公司，兰卡斯特，宾夕法尼亚州

钢结构安装：Hartland建筑及加固公司，东格兰比，康涅狄格州

钢结构详图：ABS结构公司，墨尔本，佛罗里达州