新特罗亚大桥设计理念及建筑方案

布拉格新特罗亚大桥跨度为 200.4 米，横跨伏尔塔瓦河，服务于有轨电车、汽车和行人交通。这座大桥的建造理念意义重大且大胆，它采用了不寻常的组合结构，即钢拱和预应力混凝土桥面板，它们通过网状吊杆相互连接。本文介绍了该桥独特的设计理念和建筑方案。

该桥的优雅主要源于 1:10 的矢跨比，以及拱肋总高度与拱跨之比为 1/180 。这些参数的实现得益于密集的网状吊杆，它增加了结构的强度和刚度。  

十多年来，我们一直致力于提高对网状拱桥的认识。根据我们的设计，我们已在贝希涅成功建造了一座此类桥梁，并在南波希米亚的特里涅茨和鲁德纳建造了两座桥梁。  

2009 年 3 月，布拉格市政厅城市投资部最终批准了特罗亚大桥建筑设计竞赛的获奖设计，获奖设计的作者是莫特麦克唐纳布拉格公司（ Ladislav ?a?ek 、 Ji?í Petrák ）和 Roman Koucky 建筑事务所（ Roman Koucky 和 Libor Kábrt ）。该团队历时两年多的复杂工作证明并捍卫了大桥的独特设计，其主要优势在于轻质、透明的结构，无需在河床上设置任何桥墩。在两轮建筑设计竞赛（ 2006 年）和建筑许可证文件准备阶段（ 2007 年和 2008 年）所获得的信息，包括随后根据承包商的意见对一些细节进行的补充和优化（ 2008 年），证实了桥梁整体设计和结构细节的适用性。

1 概述

该桥（图 1. ）由两个独立的结构组成，中间由位于特洛亚河岸的伸缩缝隔开。伏尔塔瓦河上的主跨设计为简支钢网状拱，跨度为 200.4 米。特洛亚一侧设计为简支现浇预应力混凝土双梁结构，跨度为 40.35 米。  

图1  新特罗亚大桥  

桥面通过两个倾斜的网状吊杆面与拱相连。网状吊杆将拱桥与两个钢 - 混凝土组合系杆（拱桥拉杆）连接起来。系杆的拉力由桥面和组合材料中的预应力束承担。因此，系杆处于受压状态，并起到支撑横向混凝土桥面梁的作用（通过部分浇注到横向梁中的钢连接件）。  

吊杆面有 200 个 S520 级钢制吊杆，尺寸在 76 至 105 毫米之间。吊杆采用 Macalloy 拉杆系统，由带螺纹的实心杆、螺丝扣、叉销和锁盖组成。  

拱桥的网状吊杆布局可使荷载均匀分布，从而减少拱桥和主梁上的局部应变。拱桥和主梁的纵向弯曲应变最小。这使得设计中的钢拱结构非常纤细，结构高度小于跨度的 1/180 。吊杆就像一堵在拉力作用下的刚性薄墙。网状拱桥的静态行为同时表现为系杆拱和钢板梁。钢拱构成其上翼缘板，混凝土预应力桥面作为其下翼缘板，吊杆作为薄腹板。该桥跨度为 200.4 米，其布置和造型形成了国际上独一无二的结构（图 2 ）。  

图2  新特罗亚大桥（人行道视角）  

钢拱的最大高度为 20.4 米，中间是一个五角形的箱形截面，高 0.9-1.3 米。平焊钢拱架在纵向上呈分段弧形。大约在跨度的四分之一处，拱分成两个箱形截面，从水平刚度大顺利过渡到竖向刚度大，以满足应力指标及有轨电车车身净空。  

图3  （ a ）拱肋横截面；（ b ）拱分肢处断面；（ c ）拱脚单肢断面  

钢拱的形状还受到静力要求的制约，即在保持钢板厚度不变的情况下，拱全长的刚度和横截面积必须相同。钢拱采用钢箱多室截面（图 3 ）。在跨中附近，横截面宽且平。但是，在被称为 " 裤管 " 的部分，横截面分为两条 " 腿 " ，以便有轨电车通过。纵向钢板的牌号是 S420ML ，横梁的牌号是 S355ML 。众所周知，钢拱结构会发生屈曲。拱的平面内的屈曲可通过由吊杆形成的刚性很强的“腹板”来防止，而平面外的屈曲则可通过在水平方向上刚性很强的扁平箱形截面来防止。

2 桥梁结构

该桥总宽 35 米，被划分为几条独立的行车道，供不同类型的车辆通行。中央索道带由钢 - 混凝土系杆（带预应力束）结构组成，将道路空间与索道主体分隔开来（图 4 ）。在桥的两侧，有两条对称布置的双向行车道、人行道和自行车道。  

图4  主桥横断面  

桥面的纵向和横向预应力板（ C50/60 ）由后张混凝土 C70/85 制成的预制混凝土横梁（图 5 ）支撑。拱推力通过在桥梁上部结构端部施加纵向后张力来消除。见图 6 。  

图5  预制横梁横梁预应力束（ 2 根 7 φ 15.7 ， 1860MPa ）  

预制后张法横梁的使用对加快施工进度和减少临时支撑结构产生了重大影响，同时满足了对精度和质量的高要求。非典型形状的横梁长 29.28 米，宽 0.50 米，高度在 0.41 米至 1.53 米之间。预制横梁的重量为 50 吨。在横梁生产过程中，对产品和钢构件的精度要求都有所提高。由于施工过程的特殊性，横梁经历了多个施工阶段。  

图6  桥面端部纵向预应力束锚固

3 荷载实验

在大型新桥通车前，经常会进行静态和动态荷载测试，以验证桥梁的实际结构行为与理论预测的结构行为是否一致。因此，作为为特洛亚大桥制定的监测计划的一部分，在 2014 年 10 月大桥通车前的 8 月份进行了全面的静态和动态载荷测试。总体而言，监测计划和荷载测试的主要目的和目标是检查桥梁是否按照设计建造，更好地了解桥梁对静态和动态荷载的响应，并生成原始结构的初始数据库，用于未来对桥梁的初始状态进行状态评估。  

桥梁结构的测试竖向挠度通过非常精确的水准测量进行测量。测量装置包括 Leica DNA 03 和 Leica GPCL 3 数字水准仪。  

测试分为三个阶段。在第 1 阶段，通过应变仪测量了所有 200 个吊杆的自重引起的吊杆力，同时通过加速度测量评估了吊杆的自然频率。  

在第 2 和第 3 阶段，进行了静态和动态荷载测试。在静态测试中， 24 辆重型卡车（ 48 吨和 26 吨）和 4 辆各重 44 吨的有轨电车列车按照 8 种不同的加载模式进行定位，其轴载和尺寸均已知。  

在静态测试期间，对未加载的桥梁进行了多次测量，从而可以排除温度的影响。气温和太阳辐射对桥梁的性能有很大影响。因此，荷载试验是在晚上 8:00 至早上 7:00 进行的。在所有三个测试阶段，几乎都没有风，气温稳定在 12 至 17 ℃之间。  

测量的位移表明，桥拱的刚度甚至略高于设计时的假设。例如， 24 辆卡车和 2 辆缆车（总重量为 911 吨）在跨中位置行驶时，桥面的预测垂直位移比实际测量位移（ 59.2 毫米而不是 51.5 毫米）高出约 13% 。  

在动态测试中，两辆相同的卡车和两列有轨电车以不同的速度行驶，从每小时 5 公里的爬行速度开始，一直到每小时 60 公里的最高速度。在第 2 和第 3 阶段，收集了拱桥的应变、拱桥和桥面的位移和加速度。所有测量结果都与基于桥梁有限元模型的理论值进行了比较。试验证实，该桥的动态放大系数较低。  

动态放大系数约为 1.1 。有关桥梁动态特性（即固有频率、模态振型和阻尼比）的其他结果和结论见监测项目的其他报告。  

总体而言，精心策划的荷载测试取得了圆满成功，收集到了大量有趣的数据。作者利用这些数据了解了这一独特结构的静态和动态行为，并建立了原始结构的初始数据库，可用于未来的桥梁状况评估。  

图7  桥梁灯光效果  

新特罗亚大桥于 2014 年 10 月通车。由于设计的独特性和大桥的重要性，一项广泛的长期监测计划已经启动。

4 建筑

从视觉上看，整座桥梁就像一个几乎对称的整体，这得益于横截面（横梁和桥面的形状）的统一设计理念和统一形状，以及其他细节（如栏杆和其他桥梁设备）的一致性。桥梁的材料和颜色是整体建筑效果不可分割的一部分。基色是钢拱的冷白色，也用于吊杆和人行道的钢结构。承重和非承重结构的所有其他部分都会显示出其材质。特别是金属栏杆面板（铝）和排水系统（浅灰色复合材料）。  

照明灯具、电车杆和其他结构的颜色尚待确定，但将根据各生产商的可能性和喜好，采用从银色到灰色和白色的各种色调。与大桥整体设计形成鲜明对比的是黑色的路面、浅灰色的人行道和有轨电车线路的混凝土板。所有混凝土都将保持现浇状态。模板和预制构件的分解都是按照大桥的几何顺序和模块化系统设计的。结构的预制构件和整体构件具有不同的对比表面 -- 预制构件相当光滑，而整体构件则较为粗糙。  

图8  桥梁夜景

5 结论

本桥所选的桥型非常经济，因为所有结构构件几乎只承受轴向力，因此可以充分利用截面的承载能力。吊杆的布置使荷载分布更加均匀，从而减少了拱桥和主梁的局部应力。预应力混凝土桥面增强了结构的刚度和动态稳定性。  

特罗亚大桥是一座杰出的桥梁结构，包括许多先进的设备解决方案。桥梁全长的路面和人行道排水系统由复合非金属元件制成。桥面中间的双轨电车线路位于一块浮动的整体钢筋混凝土板上。板与上部结构之间由厚度为 23 毫米的橡胶防震垫隔开。桥梁设计为连续焊接轨道。轨道扩张装置安装在上部结构后面的桥墩上。  

大桥的投资方 -- 布拉格市政府 -- 为特罗亚大桥项目做出了巨大贡献，因为他们敢于建造这种不同寻常的设计。此外，桥梁供应商 Metrostav 还必须应对由两种不同材料（钢和预应力混凝土）组成的结构所带来的挑战，这两种材料都需要高度专业化和职业化的方法。大桥的设计工作由莫特麦克唐纳布拉格 CZ 公司、 Excon 公司和 Roman Koucky 建筑事务所共同完成。钢结构由 Excon 制造。