2019年度国际杰出结构提名奖蓝德海峡大桥拓宽（修正版）

深海鱼

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2019年6月国际桥梁与结构工程协会（IABSE）的网站揭晓了2019年度国际桥梁与结构工程杰出结构奖和杰出结构提名奖。

IABSE Awards

Outstanding Structure Award 2019

Winner: Mersey Gateway Bridge, UK

Outstanding Structure Award 2019 Finalists:

Widening of the bridge over the Rande Strait, Spain
Mukogawa Bridge, Japan

西班牙蓝德海峡大桥拓宽（Widening of the bridge over the Rande Strait, Spain）获得2019年度杰出结构提名奖。下面本文作者简单解读一下这个杰出结构。

1 原蓝德海峡大桥简介

原蓝德海峡大桥1973年开始修建，1977年建成。为主跨147+400+147m的双塔钢板梁斜拉桥。桥面宽度20.75m，主梁梁高2.40m。钢筋混凝土桥塔高度118.6m。

图1 原蓝德海峡大桥总体布置图

兰德大桥加固前的主梁截面

原蓝德大桥主梁截面仰视图

蓝德大桥拓宽前的照片

蓝德大桥拓宽前的照片

2  桥梁拓宽原因和背景

       2006年，平均每日交通量达到55,000辆，接近其有效通行能力，交通拥堵状况频繁发生。为了提高桥梁的通行能力，对不同方案进行了研究。考虑到技术、美学和经济方面的因素，最有利的解决方案是老桥加宽方案，包括沿现有桥面、主塔外侧布置两个新主梁。该方案既可在不影响现有桥梁的交通前提下进行主桥加宽，又不影响Vigo河口区域，从自然环境和景观的角度来看这一区域非常有价值。这些限制对建设过程产生了至关重要的影响。

3 拓宽的方案

3.1 总体拓宽方案

     首先对桥梁的基础进行评估，评估后认为加宽增加的荷载不需要对基础进行加固。

     此次的桥梁拓宽，主要需要两个步骤，桥梁基础和桥塔的加固，桥梁主梁的拓宽。另外桥塔需要增加新斜拉索的锚固区。在主塔增加斜拉索的锚固区域是在桥塔的外侧沿竖向增加两个钢锚箱，并在桥塔的塔顶增加横梁连接两个钢锚箱。
蓝德大桥拓宽的总体效果图

3.2  新斜拉索的锚固

为了锚固新的斜拉索并把其内力传递给既有的桥塔塔柱和桥墩，在既有塔柱的外侧设计了外置的钢锚箱。钢锚箱通过球形支座支承在塔柱的水平面上。它们其中的一个限制所有方向的平动位移，另一个允许沿桥梁横向的水平位移。

桥塔的外侧沿竖向增加两个钢锚箱

在桥塔塔柱的外侧和钢锚箱的内侧之间设置支座的空间很有限。这些水平设置的支座要承受新增的内倾斜拉索索力的水平分力而产生的压力。
新增的左侧塔柱和右侧塔柱的钢锚箱采用支承在塔柱上的受拉的钢横梁连接。斜拉索的竖向风力通过横梁下面的支座传递给桥塔塔柱。

桥塔塔柱外侧的外置钢锚箱和横梁

外置钢锚箱的设计图

对桥面进行拓宽的方案是在原有的钢板梁的外侧增加两个箱梁，新的钢箱宽1.5m，高2.3m，在钢箱梁上面铺设了25cm厚的普通混凝土，形成钢-砼结合梁，和纯的钢箱梁和正交异性板相比，提高了结构的耐久性。
在外侧的两个钢箱梁的中间设置斜拉索的锚固装置，钢箱梁靠既有主梁侧采用横向桁架和铰连接。
在新增的钢箱梁两侧设置华伦型横梁，如图所示。横梁的间距为10,53m，采用变高度的桁梁。内侧变高度的横梁形成一个准三角形的横梁和既有的主梁采用铰相连。

      

蓝德大桥拓宽普遍的钢箱梁

外侧的桁架横梁采用半结构性的钢板进行包裹，提供流线的外形以利于气动稳定性并减少风的阻力。相反内侧的桁架横梁未有包裹，是可以透风的。
内侧的变高度的横梁形成一个准三角形的横梁和既有的主梁采用铰相连是为了保证新增箱梁和既有主梁之间合理的结构行为。外侧变高度的桁架横梁，支撑车道的混凝土板并直接承受车辆活载并它们分配给附近的几个横梁。
外侧的横梁也避免由既有主梁，新增两个箱梁，上部混凝土板，下部包裹钢板的畸变。另外因为混凝土板的厚度只有15-25cm厚，所以在两个斜拉索之间设置中间桁架横梁。

拓宽主梁的横截面图

混凝土板在新增钢箱梁中线处厚25cm，在边梁处厚15cm。这个厚度的变化提供了新增桥面的横坡。新增的车道每侧宽5.0m，上部混凝土板的宽度为6.75m，加宽的桥面总宽度为7.0m，在混凝土板上铺设8cm厚的桥面铺装。

对于设计来说，非常重要的是加宽前后，既有主梁的结构行为基本保持不变。为了坚持这个原则，需要尽可能地减小新增主梁和既有主梁之间的内力传递，尤其是两个主梁之间弯矩的传递。
为了达到这个目标，新增主梁和既有主梁之间采用球形铰，只传递剪力和轴力，而不传递弯矩。该球形铰采用100年内不维修的方法设计。

3.4  斜拉索和锚固系统

       新增的两个索面来支撑新增的两幅主梁，这些斜拉索和主梁的锚固装置设置在主梁内，其尺寸易于斜拉索和锚具的安装，张拉和以后的检修与维护。
       斜拉索的上端锚固在设置在既有塔柱外侧的外置钢锚箱内。所有的斜拉索均提供检修和以后更换的通道和空间。
       新增斜拉索的水平距离和既有斜拉索的水平距离相等以利于新增斜拉索的锚固。斜拉索在桥塔上锚固的竖向位置也和既有斜拉索的位置相同，以便新增斜拉索和既有斜拉索在视觉上是平行的，提高桥梁的优雅性。斜拉索的采用钢绞线，钢绞线的股数在33和91之间变化。

       这种布置和新的横向挑臂桥面，会导致恒载作用下既有斜拉索的卸载。原因是在恒载作用下由于杠杆作用，在铰的位置产生一个向上的力。这种杠杆作用的效果相当有益。因为它减小了既有斜拉索的恒载应力。但是既有斜拉索应力的减小不足以引起其非线性效应的明显增加。
       但是在活载作用下，斜拉索的应力幅稍微改变。既有斜拉索的结构行为看起来得到了改善，特别是对于疲劳荷载。
     加宽后既有斜拉索的内力和没有加宽相比，没有任何增加。这是特别重要的，因为避免了对既有斜拉索在桥塔上锚固区域的补强这项非常复杂的工作。

  结构横向行为的示意图

3.5 桥梁边墩的加固

桥梁边跨没有设置辅助墩，只有边墩。为了支撑新增的两个外侧箱梁，将边墩的悬臂加宽9.8m以支撑新增的主跨箱梁和引桥的加宽部分。

4 气动稳定性试验

       为了确保桥梁的气动稳定性，对主梁节段和全桥进行了风洞试验，结果表明颤振临界风速大于60m/s。

       另外对三个分箱之间的涡流导致的我记振动也进行了深入的研究，控制涡激振动的振幅。

5 施工

对于施工阶段采用正装法计算，共计269个施工阶段的计算。
桥梁2014年公开招标，2015年授标给Dragados和Grupo Puentes 公司的联合体。以下简单介绍架设的主要步骤。

5.1 桥塔外置钢锚箱

      每个桥塔的外置钢锚箱分为6个节段起吊和安装。除过6个外置钢锚箱外，每个桥塔还有一个横梁。

      桥塔横梁也分为6个节段采用塔吊起吊和安装，等6个节段都吊装到位后，进行焊接。肩部构件现在桥下进行预拼装，然后吊装到位。

肩部构件在桥下的预拼装

5.2 首段主梁的安装

桥塔处首段主梁采用支架法安装，首段主梁的长度42m，重210吨。

5.3 典型主梁节段的安装

当首段主梁安装完成以后，开始安装标准的梁段。每个标准梁段长度21m，重90吨。采用标准的悬臂架设法施工。主梁的现场接头采用焊接。

主梁的安装一共8个工作面，每个标准节段主梁的安装包括以下步骤：
新主梁节段吊装
新主梁节段的对位
新主梁节段的焊接
新主梁节段和既有主梁节段的连接
斜拉索的安装和张拉
安装桥面钢筋和浇筑混凝土
挂篮的移动

主梁的施工总共用了6个月，从2017年4月到10月。

蓝德大桥拓宽时吊装旁边的钢箱梁

蓝德大桥拓宽时吊装旁边的钢箱梁

蓝德大桥拓宽时吊装旁边的钢箱梁

6 拓宽效果

 
桥梁施工完成以后，进行了静动力试验以验证加宽后的桥梁有足够的结构行为。
在静力荷载试验中，采用68辆卡车进行加载。
为了验证新增主梁的在车辆通过时的舒适性，进行了动力试验。结果表明桥梁拓宽后厚的舒适性良好。

蓝德海峡大桥是世界上第一座进行老桥加宽大跨度斜拉桥，是结构领域的一个独特里程碑工程。其创新设计解决了功能问题，公路通行量显著增加，加宽最大限度地利用现有桥梁的结构强度，同时间还改善了大桥的动力行为。由于采用了精心设计的方法，创造了现场架设仅仅14个月的纪录；施工期间维持了现有桥梁交通，没有对Vigo河口的自然环境产生影响。
结构类型： 加宽斜拉桥
完成日期： 2017年12月
地点： 蓝德海峡，西班牙
所有者： Ministerio de Fomento（西班牙道路管理局）
特许经营： AutopistasdelAtlántico，CESA
结构设计： MC2 Estudio de Ingenieria SL和Dr.ManuelJuliáVilardell

总承包商： JV Dragados + Grupo Puentes

拓宽总造价: 8800万欧元

拓宽增加的交通量: 43%

拓宽后的蓝德海峡大桥

鉴于本桥拓宽的巧妙构思和良好效果，国际桥梁与结构工程协会授予本桥2019年度杰出结构提名奖。

本桥拓宽动画。

全桥拓宽的工程数量

结构钢 (t): 6608

普通钢筋(t): 276

斜拉索 (t): 849

混凝土(m3): 3337

7 中国三分箱主梁公铁错层合建斜拉桥方案

2014年2月在海口如意岛公铁合建跨海大桥国际竞赛的准备过程中。中国中铁二院的工程师首先提出桥塔内穿的三分箱分体式箱梁方案，其中两线城市轨道交通走中间的箱型主梁，两侧的两个箱梁分别承载两车道公路。当时本文作者在斯图加特的手绘主梁和桥塔图下图所示。

如意岛公铁合建桥桥塔内穿的三分箱分体式箱梁手绘图（王应良2014年2月于斯图加特）

在此桥投标的过程中，城市轨道交通变更为两线跨座式单轨铁路，本文作者又提出桥塔外包的双分箱分体式箱梁方案，但是公路和跨座式单轨铁路错层布置。

本方案获得国际竞赛第一名。

海口如意岛跨海公铁合建桥的主梁截面

海口如意岛跨海公铁合建桥效果图

　　2016年1月底，在研究宜宾临港公铁合建长江大桥的方案过程中，中铁二院的部分工程师又在公铁平层合建的三分箱主梁的基础上发明了公铁错层布置的三分箱主梁截面。

2016年由中铁二院宜宾临港长江公铁合建桥设计组主要工程师们提出的桥塔内穿的三分箱主梁方案，首创公路和铁路错层布置。

       为了保护设计组的劳动成果。此主梁截面2016年7月被迫申报发明专利，2018年5月被授予国家发明专利。

2016年中铁二院公铁合建桥梁设计团队的工程师们又在错层三分箱主梁的基础上，发明了分体式箱梁加桁梁的新双层公铁合建桥主梁截面。2019年5月被授予国家发明专利。

公铁合建桥双层主梁截面发明专利

双分箱主梁和桁梁的箱桁组合主梁截面

鸣谢：

文章图片来源于MC2 Estudio de Ingenieria SL，Dr.ManuelJuliáVilardell，  JV Dragados + Grupo Puentes 三个公司的网站。在此向这三个公司表示深深的谢意。

其实在上个世纪90年代初，德国有个桥梁的拓宽和这个桥的拓宽类似，但是采用的技术比这个桥还巧妙。

参考文献:

1）Julio Martínez Calzón , Manuel Juliá Vilardell , Álvaro Serrano Corral & Miguel Gómez Navarro , Widening of the Cable-Stayed Bridge over the Rande Strait, Spain

Structural Engineering International, 2008,N0 4
2） 王应良， The selection of box girders for cable-supported railroad bridges. Steel construction design and research, 2019, No2
3）王应良， The frontier of cable-supported railroad bridges with box girder. Bautechnik, 2019 （待出版,SCI,EI）

本文作者简介

王应良 工学博士，桥梁工程师，英国注册工程师(CEng 584540)。在12个国家设计和咨询大型桥梁30多座，包含了公路桥，铁路桥和公铁合建桥。主要研究方向为：钢桥，钢-砼结合梁桥，桥梁总体设计。2012年后以第1作者或和通讯作者发表钢桥，钢-砼结合梁桥领域的论文14篇。其中SCI收录7篇，EI收录13篇。获得2016年度《英国桥梁工程学报》优秀论文奖。设计的桥梁中已有三座登上国际杂志封面。

对于三分箱主梁感兴趣的朋友还可以参见以下拙文:

 跨越愿景与经验的鸿沟：公铁合建桥的艺术与科学

 The Art and the Science of Rail-cum-Road Bridges

 分体式箱梁公铁（轨）合建缆索承重桥梁的发展趋势

 宽体箱梁公铁合建缆索承重桥梁的主梁选型和斜拉索锚固（简化版本）

 公铁合建桥，我们有个约会！Railway and Road Bridge, we have a da

设计的桥梁中已有三座大桥登上国际杂志封面

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