美国北卡罗来纳州马克·巴斯奈特大桥：穿越危险海湾的百年工程奇迹
参观美国北卡罗来纳州12号高速公路上的北卡罗来纳州外滩，需要越过俄勒冈湾，俄勒冈湾是大西洋沿岸最危险的海湾之一。在那里，危险的湍流，不可预测的水深和暴风雨是常见的情况。自1962年完成以来，赫伯特·邦纳桥（Herbert C.但是，在苛刻的海洋环境中，邦纳桥遭受了严重的侵蚀和恶化，需要持续维修和翻新。
2011年，北卡罗来纳州交通运输部（NCDOT）决定更换桥梁。为了满足100年使用寿命的要求，2560万允许的侵蚀高度和最小的环境影响，新的桥梁在设计和建筑方面大胆创新。最终建造的桥梁被更名为马克·巴斯夜桥（Marc Basnight Bridge）。为了确保质量，耐用性，经济性和建设性，该桥广泛使用预制的混凝土结构，并且首次采用了桩基础的验证方法，以及创新且对环境敏感的施工方法。预制的覆盖梁和预制柱而不是现场混凝土用于44个桩粉底轴承和25个双柱墩，从而大大节省了整体进度和成本。这座桥梁于2019年4月完成，被美国基础设施杂志评为年度最佳桥梁。
强烈风暴环境中的建筑挑战
俄勒冈湾并不是一个有利于建设和维持大型基础设施的地方，被认为是大西洋沿岸最活跃，最危险的海湾之一，通常遭受强烈的飓风和风暴。俄勒冈湾本身非常动态，随着散落和沉积的沙子的连续运动每天改变自然河道的大小，形状和位置，水深测量正在不断变化。
为了在现有的Bonner桥的单个导航宽度内维持导航，美国陆军工程兵团（USACE）必须全年扫除水道几乎不间断。此外，由于该地点位于大西洋，因此俄勒冈湾的任何结构都会受到盐喷湿和干燥循环的恒定冲击，从而导致腐蚀和结构恶化。
这些自然条件还促使新桥在建造过程中采用前所未有的设计标准。基础的设计和建设将受到某些区域0至256m的侵蚀深度的影响，流速为38m/s，风速高达469.4m/s（以“最快的风速”和9567KN的船舶冲击力测量。由于天然水道的不断变化，USACE和美国海岸警卫队（USCG）需要设计一个“行动区”，桥梁导航通行率为760m。该区域内的所有跨度均应提供至少60.8×2128m的通道清除，以减少疏ed的需求。此外，为避免随后的昂贵维护成本，NCDOT规定了许多耐久性要求，以实现100年的使用寿命。
同时，建筑工地的建设也受到限制和挑战。大风，潮汐和频繁的风暴阻碍了建筑，尤其是在秋天，冬季和早春。此外，几乎整个项目地点在某种程度上被认为是对环境敏感的领域。桥的南端位于美国鱼类和野生动物服务局经营的豌豆岛国家野生动物保护区，建筑物的土地非常狭窄。同时，项目现场的北部位于哈特拉斯角国家海岸内 - 建筑土地的权力也受到严格限制。由于现有的桥梁靠近这些地方，因此建筑区域变得极为有限。现有的桥梁必须继续使用，直到新桥完成为止，这也加剧了有限的工作领域的挑战。这里的大多数地区也被指定为水下水生植被（SAV）栖息地；这些区域均不允许疏gring或建筑通道，这迫使团队使用临时工作战trench。该项目现场也很遥远，附近没有混凝土混合站，只有两车道的NC12 Road可用于陆地上的材料运输。
项目成功的关键
专注于基础设计和建设
尽管该项目无疑带来了许多艰巨甚至前所未有的挑战，但DBT也确认了改善质量，耐用性，经济性，速度和环境管理的巨大机会。站点条件的一致性和作为单个和长高架桥式桥梁的项目的一致性允许以简单且互补的方式进行设计和构造。
在该项目的早期竞标阶段，DBT意识到取代Bonner桥不是“桥梁工作”。这是一个大规模的海洋基金会项目，上面设置了一座桥梁。这种理解使DBT专注于基础设计和构建，这是该项目成功的关键。如图1所示，结构和岩土工程团队创建了一个项目的颜色编码的垂直图，其中说明了地下条件，侵蚀轮廓，船舶碰撞区域和导航许可证区域，如图1所示。根据这张图片，该图片分为五个区域：北向导桥，北部过渡桥梁，北部过渡桥，南方桥梁，南方转换桥，南方桥梁。这些区域都对应于搜查轮廓（还包括五个区域，每个区域都有指定的最小设计的冲刷深度）和桥梁的垂直几何图形。巧合的是，地下土壤条件在整个项目中非常一致，主要分为两个区域，大致与五个桥梁区域一致。对于桥梁的深层基础，船的碰撞部队是一个主要的考虑因素。随着桥梁长度的变化，南部和北向导桥的跨度内的碰撞力较小，南部和北部过渡桥的跨度内的碰撞力更大，导航孔桥的碰撞力是最大的。
图1纵向截面视图显示了桥面积，侵蚀区域和地下条件（黄色是松散至中密度的沙子，粉红色是密集的沙子，绿色是粘土/淤泥）
选择预制混凝土
考虑到所有不同的参数，每个区域都需要量身定制的设计方法，并且可以广泛使用重复组件。海水环境和招标（RFP）强调的耐用性，耐腐蚀性和100年的使用寿命表明，使用混凝土结构是合适的，而偏远地区的项目地点也强迫使用预制零件和模块化结构。所有指标均表明使用预制混凝土是最佳的设计解决方案。
该项目中使用的预制组件非常简单，并且使用了许多重复的详细设计。这种重复导致了制造和建设中的规模经济，这再次降低了成本和加快建设的速度。由于设计区域大致对应于该项目的陆上，水和SAV区域，因此也可以根据该区域进行施工活动。这些突出的和量身定制的设计和施工方法，结合了预制组件的广泛使用，形成了高质量，耐用且经济的建筑结构。
上层结构轻巧耐用
纤维梁的预制结构
就整个桥梁的长度而言，所有北 - 北向桥梁和南北过渡桥占总长度的75％（4.506亿），约为3380m。上部结构由传统形成的现场铸造（CIP）轻质混凝土桥甲板组成，该桥由预制的预应力混凝土纤维梁支撑（图2、3和4），长度约为14.082 km。 CIP轻质混凝土桥甲板是一种简单的常规加固设计，具有不锈钢增强件。大多数桥梁的路面横截面包括两个364.8m车道和两个2.432m肩膀，总宽度为1294.6万。桥梁最常见的横截面使用4个纤维梁，跨度为49.198m。在南部过渡桥上，一些跨度的横向排列，跨度为55328m。典型的连续长度为6个跨度，膨胀接头之间的单位长度为29336m。在任何FIB束跨度的中间都没有提供永久的中间分区，但是在膨胀接头上使用了全高端分区，并且在其他桥墩处使用连续的横隔板。所有纤维梁都由带有不锈钢底板和锚螺栓的细钢板弹性支撑支撑。在某些情况下，当有必要将船舶碰撞负荷重新分配到相邻支撑时，将设置钢筋混凝土剪切键。
图2北向导桥的典型分段视图（类似于南导桥）
图3北部过渡桥的典型分段视图（南过渡桥相似）
图4南适配器桥的建设
FIB梁被设计为简单支撑的光束，用于静态和活载荷，但是耦合内部的码头顶部采用典型的NCDOT连续隔膜束结构，以实现活载荷连续束。桥的两端的两个跨度使用1.143m高的纤维梁，而其余的跨度则使用约244m深的纤维梁。所有光束的混凝土设计强度为55MPA，张紧时为44MPA，使用直径为15.24mm，使用直径为15.24mm，使用1862MPA。为了易于制造，混凝土强度限制为55MPA。由于较高的混凝土强度需要更长的固定时间，因此快速循环基座的预制性能受到阻碍，这也是需要预制超过300束的关键因素，或者需要使用更具挑战性的混合速率设计来减少热量破裂的风险等。因此，所有束的均可用15次降低60层的设计。在负载条件下（AASHTO正常使用极限状态III）不含拉伸应力，以提高耐用性。在梁的末尾，使用预应力的肋骨隔离失败和预应力的肋骨弯曲技术可在释放预应力时避免梁两端的爆裂和拉伸应力。为了解决预压力主梁的预组预计变化，使用四种不同的预算计算方法来构想估计的最小和最大架构前的预定度；最大架构前度用于确保梁的大小，并且最小架构前度用于评估主梁是否有足够的预应力，以提供安装后是否仍然可以拱起桥面板。
悬架构造可通航孔桥的分段盒子大梁
可通航孔桥的总跨度为11个跨度，长度为10792m，典型的跨度直径为1064m，侧面跨度直径为60.8m，并继续在相邻的预应变束区域中继续桥甲板宽度。该单体是一种后张力的预应力混凝土片段结构，由238个单室预制盒式围栏段组成，该结构由张紧后预制的混凝土柱支撑（图5）。桥的这一部分的11个跨度中有9个跨度可至少高于平均高水位高21.336m的可通道净高度。考虑到上层建筑的光束高度变化，符合上述导航区域垂直和水平间隙定义的桥梁长度约为941.8m，超过了USACE和USCG所需的762m。
图5导航孔桥的建设（显示预制混凝土的透视后部分
混凝土盒梁的上层建筑的平衡悬臂构造）
可变高度连续光束不仅提供了一个美丽而经济的解决方案，而且还支持平衡的悬臂构造方法的应用，达到了10668m的典型跨度。在这种方法中，上层结构是在桥码头的两侧构建的，形成平衡的悬臂结构。
在施工现场，预制截面由桥甲板起重机提起，关节是环氧树脂，临时的背张预应增压肋连接到了上一节。在悬臂两端的光束部分中，在巩固环氧树脂后，永久性悬臂预应力的肋骨可能会张紧，以进入下一部分的安装。两个相邻的悬臂完成后，倒入组合部分以在中间跨度达到结构的连接。拉伸顶部和底部板以结合预应力的钢杆以实现结构连续性。
纵向背景方法的预应力包括18或22链悬臂预应力的肋骨束和12、16或20链连续的预应力肋骨束，这些肋骨束放在塑料管中，并具有高强度。在每个悬臂端设置一对紧急（预留）管道。水平的后张力预应力使用4股预应力的肋骨束，25.4mm×76.2mm的平板管，间距约为0.9m和0.15亿。所有钢制束均由直径为15.24mm和1846.8MPA的低雷克斯预应力钢链组成。所有横向分区均使用直径为1至3/4英寸的垂直预应力（PT）钢筋，以抵抗由纵向预应力张紧引起的垂直裂纹。盒子梁顶和底板提供临时的牙齿块，以促进在分段安装过程中临时重复使用临时PT钢筋。
码头顶梁高579m，中梁高27.4m。底板的厚度从码头顶部的60.96厘米到第五部分的25.4厘米。由于使用驳船运输部分，因此不受道路运输的限制。使用43m，可减少现场操作量，还满足桥甲板起重机对段重量的要求。典型的段重量从94吨到132吨不等。由于码头的顶部较大，因此使用了1.524m长的两半重量，每个重量为92吨，并通过临时和永久性的PT钢杆连接。
图6在北向导桥上直径为1.372m的预制混凝土缸桩上，将第一个预制混凝土盖梁安装
在悬臂安装过程中，通过使用直接支撑在底座上支撑的钢脚手架来抵抗段安装过程中的不平衡力矩。在第一和最后一侧的码头，分别设计了结构和临时塔，避免了末端跨度13个悬臂段的昂贵支架，在海洋环境中的末端跨越了12个悬臂段。在建造这些特殊悬臂的过程中，使用配重来减少较低结构的失衡。
上层建筑由每个码头的两个盆地支持者支撑，整个1066.8m的长度由两个中间码头提供。其他码头的支撑旨在纵向滑动以释放温度应力，蠕变应力和收缩应力。临时整合滑动轴承允许悬臂安装和结构的连续性在每个收敛部分倒入和连续的预应力张力后。之后，释放滑动支撑的临时整合锁。施工过程包括在中跨跨跨跨度之前进行中跨度的推动，以应对中间两个固定码头之间梁的长期蠕变和收缩效应。
突破腐蚀保护问题
新建的Bonner桥所需的100年使用寿命是通过某些设计和施工技术实现的，其中许多设计和建筑技术已在招标中清楚地规定。包括许多混凝土混合设计的要求，这些要求大大提高了桥梁所有混凝土组件的耐用性和寿命。例如，使用粉煤灰或细磨炉炉渣和二氧化硅烟，低水泥比以及使用钙氮腐蚀抑制剂混合物的使用。此外，除了使用环氧树脂涂层的钢棒的栏杆外，所有现场混凝土都需要不锈钢棒。
在整个结构中，明确指定了各种组件和情况的最小混凝土保护层大小。此外，严格的设计标准（例如预应力的混凝土组件）在负载条件下无法承受拉伸压力，从而增加了材料和施工要求。 DBT使用Life-365计划进行生命分析研究，并确定所有组件都将提供所需的使用寿命。
尽管桥梁的大多数材料都是混凝土的（根据招标的要求），但一些次要项目必须是金属，还必须遵守各种规定和要求。例如，混凝土护栏上的两个金属栏杆被指定为固体铝。支撑Fib梁的弹性支撑垫的基板由固体不锈钢制成，就像桥上其他几个小型金属组件一样。由固体不锈钢制成的金属零件不能用99％的铝热喷涂涂层将其元化。当铝表面需要与湿混凝土接触时，请指定适当的隔离细节。
开发新的桩基础计算方法
这座桥毗邻大西洋和帕姆利科湾，使桥梁基础和上层建筑受到北美东海岸的热带气象和风暴灾害期间的暴风雨，当地风和海浪的影响。为了获得设计条件，该分析采用了使用最新的滞后预测技术（与Adcirc+Swan模型相结合）的建模程序，该计划预测了过去160年来影响俄勒冈湾地区的飓风，并在三个海湾入口构造条件下侵蚀。使用佛罗里达州运输部（FDOT）桥梁擦洗手册的方程式和方法，对一些更复杂的码头（在科罗拉多州立大学液压实验室）进行了物理模型搜索测试的搜索计算。所提议的桥梁的预测侵蚀高度高于招标文件所需的最小侵蚀高度。根据招标的要求，Bonner桥的替代桥设计采用了招标中提出的更为保守的冲洗高程。尽管桥超结构的最低部分一年超过了一次峰值高度，但较低的结构位于峰值之内。波浪对轴承的影响会在海底上产生巨大的扭矩。 Aashto对沿海风暴敏感的桥梁的指南为计算这些组件上的波力的方法提供了方法。
图7安装混凝土桩
事实证明，桥梁基础的设计和建造非常具有挑战性。由于设计清洗深度高达84英尺，并且具有非常大的横向载荷，包括风载，波浪载荷和船舶冲击负荷，因此基础必须通过致密的砂层延伸至相当大的深度，以获得足够的横向阻力。 After an in-depth review of various foundation options, including innovative systems such as traditional drilled piles and hybrid piles – shaft foundations, DBT chose to use prestressed concrete piles that were sprayed first and then punched in. As very deep foundations need to be built to solve the challenges posed by extremely stringent design erosion envelope depths, a completely new procedure was developed to determine the resistance required for piles.该程序基于对桩的轴向电阻的特定现场测量，结合了特定的安装方法，然后进行了螺母注入，然后进行了打孔，消除了该过程中存在的过度保守主义，同时提高了对最终结果的信心。
结论
长4.506亿的Mark Basnet桥是在充满挑战的海洋环境中建造的巨大结构，设计的寿命为100年，维护成本极低。通过灵活的设计和构建，开发了一种非常经济，耐用，可建造的设计，并可以与政府和各种参与机构一起发展合作精神。这种合作的结果是，在这个原始的沿海地区，施工方法可以最大程度地减少对环境的临时甚至永久影响。
图8主梁结构
该桥结构涉及约68,810立方米的混凝土，其中约45,873立方米是预制混凝土结构的形式。 The widespread use of precast concrete components, including precast cylindrical piles of about 5.472 km, precast square piles of 19.312 km, precast cover beam of 0.93 km, precast column of 0.48 km, precast FIB beam of 14.08 km and precast segment box beam of 1.08 km, greatly improves the quality and durability of the structure, while promoting faster, safer and更经济的结构。使用预制的桩基础，而不是现场混凝土，可以大大节省整体进度和成本。而且该项目的出价价格也证明了这种方法的价值：PCL团队的出价价格比最接近的竞争对手低6400万美元。
本文发表/桥梁杂志
2022第1期，105
Source/American预制预应力混凝土协会（PCI）
作者/Domenic A. Coletti等。
作者单位/美国HDR建筑工程咨询公司
翻译/Wang Chang Ma Qingang
翻译单位/Zhejiang数字通信技术有限公司
编辑/ PEI小蛋白
艺术编辑/ Zhao Wen