于2019年7月通車的加拿大塞繆爾·德·尚普蘭大橋（以下簡稱新尚普蘭大橋）長3.4km，取代了曾經(jīng)橫跨圣勞倫斯河及圣勞倫斯航道的老尚普蘭大橋。老橋是一座鋼桁架橋，由于結(jié)構(gòu)和質(zhì)量等問題，近年來的橋梁維護(hù)費(fèi)用逐年增加，新橋的建設(shè)將為該地區(qū)帶來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　新尚普蘭大橋的預(yù)計(jì)使用壽命為125年，每年過橋的車輛將超過5000萬，大約有200億加元的國際貿(mào)易貨物將經(jīng)由這座大橋運(yùn)送。聯(lián)邦政府稱，這座耗資超過40億加元的大橋?qū)⒊蔀楸泵滥壳白畲蟮墓不A(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一。

　　不斷惡化的老舊橋梁、有限的建設(shè)周期，以及惡劣天氣對(duì)大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的限制，都對(duì)新尚普蘭大橋的建設(shè)提出了挑戰(zhàn)。為了能夠在48個(gè)月的時(shí)間里完成設(shè)計(jì)和施工，設(shè)計(jì)/建造團(tuán)隊(duì)決定利用預(yù)制混凝土及鋼構(gòu)件，通過快速橋梁建設(shè)(ABC)技術(shù)完成這座耗資巨大又引人注目的大橋。

　　主要構(gòu)件的快速施工法

　　新尚普蘭大橋的主橋采用斜拉索結(jié)構(gòu)，主跨為240m，有三個(gè)獨(dú)立的平行道路面層，總寬度為60.2m，每個(gè)方向有4條高速公路車道，中間設(shè)有一個(gè)供輕型列車使用的軌道，還有一條專供行人和騎行者使用的多用途通道。

　　橋塔

　　主塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁形式，承臺(tái)及塔腳處為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。為了便于冬季施工，下塔柱選擇了預(yù)制混凝土構(gòu)件，而上塔柱采用爬模技術(shù)進(jìn)行連續(xù)澆筑混凝土。

　　橋塔采用高效的預(yù)制分段施工法，在大約40天內(nèi)吊裝架設(shè)了44個(gè)節(jié)段，速度最快時(shí)可以在1天內(nèi)架設(shè)完成4個(gè)節(jié)段。預(yù)制節(jié)段的尺寸由承包商來控制，可以使用常規(guī)設(shè)備和起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)，因此省去了調(diào)用專業(yè)施工設(shè)備的時(shí)間和成本。

　　下橫梁

　　為了使塔梁可以完美銜接，并控制主跨的下?lián)?，在主塔建設(shè)過程中，下橫梁的施工是關(guān)鍵的一步。

　　下橫梁由兩個(gè)復(fù)合U形梁（被用作支撐桿）組成，頂部和底部的混凝土板將每根梁連接起來。下橫梁長48m，寬8.8m，在塔柱的特征斷面處高3.495m。

　　這種組合形式的截面設(shè)計(jì)可以為大型混凝土結(jié)構(gòu)提供足夠的截面剛度和強(qiáng)度，并與上部結(jié)構(gòu)的箱梁結(jié)合形成鋼框架。通過在混凝土板中設(shè)置三向預(yù)應(yīng)力筋來解決塔梁之間的相互作用。

　　按照正常使用極限狀態(tài)(SLS)和承載能力極限狀態(tài)（ULS）的設(shè)計(jì)要求，對(duì)全局模型進(jìn)行了分析，并利用商業(yè)分析軟件建立了一個(gè)下橫梁的施工階段模型，以評(píng)估混凝土和鋼構(gòu)件在施工過程中的應(yīng)力，以及安放上橫梁時(shí)對(duì)其的影響。

　　下橫梁中的鋼梁部分為預(yù)制構(gòu)件，在承包商的制造車間中完成預(yù)制并運(yùn)抵現(xiàn)場，然后再進(jìn)行現(xiàn)場混凝土澆筑。由于鋼梁和混凝土填料的存放受溫度影響較大，因此必須在冬季來臨前完成，以便混凝土養(yǎng)護(hù)。下橫梁的施工需要盡早完成，以便為主梁的架設(shè)提供支撐，為架設(shè)上塔柱提供必要的剛性。2016年秋季，下橫梁的鋼梁部分完成了現(xiàn)場交付，并吊裝就位。這也標(biāo)志著新尚普蘭大橋項(xiàng)目的建設(shè)取得了里程碑式的突破。

　　上部結(jié)構(gòu)的縱梁及橫梁

　　上部結(jié)構(gòu)的縱梁由三個(gè)鋼箱梁組成，分別承載北向車道、南向車道和中央交通道。在每對(duì)斜拉索與主梁的連接處設(shè)置橫梁，從而形成一個(gè)二維的鋼箱網(wǎng)格。橫梁將縱梁承載的重量傳遞給斜拉索，同時(shí)也分散了斜拉力，減輕了上塔柱的扭轉(zhuǎn)變形。橫梁與三個(gè)鋼箱梁段構(gòu)成了主梁架設(shè)時(shí)的基本裝配單元。由于承載北向和南向車道的鋼梁懸挑在橫梁上，使得橋面板在橫向上受拉。

　　考慮到斜拉索的非對(duì)稱不平衡布置對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)受力的影響，需要在背索側(cè)的邊跨區(qū)域內(nèi)使用混凝土配重來實(shí)現(xiàn)主塔的整體受力平衡。在主跨區(qū)域內(nèi)也使用了平衡重，將混凝土澆筑在鋼梁的隔室內(nèi)，從橫向上平衡了南向的車道和更寬的北向車道。

　　按照BS EN 1993-1-5（BSI 2010）標(biāo)準(zhǔn)，縱梁和橫梁設(shè)計(jì)為4級(jí)加筋受壓構(gòu)件，并按項(xiàng)目要求采用復(fù)合混凝土板?？紤]了所有適用的極限狀態(tài)，包括施工極限狀態(tài)（CLS）、疲勞極限狀態(tài)（FLS）、正常使用極限狀態(tài)(SLS)、承載能力極限狀態(tài)（ULS）、極端事件極限狀態(tài)（ELS），例如地震和多拉索損失等極端事件荷載。

　　基于三維模型分析得出的并發(fā)力進(jìn)行了上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并考慮了施工階段以及收縮徐變效應(yīng)。而且，還對(duì)整體進(jìn)行了屈曲分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得到了受壓構(gòu)件的有效長度。同時(shí)，對(duì)必要的細(xì)部構(gòu)件進(jìn)行了局部的有限元分析（FEA），并在設(shè)計(jì)階段考慮了后續(xù)施工和安裝設(shè)備時(shí)可能產(chǎn)生的影響。

　　在上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中還考慮了許多加快建設(shè)進(jìn)度的因素。例如橋面板由預(yù)制的面板、耐腐蝕的現(xiàn)澆混凝土接縫及鋼筋組成。預(yù)制混凝土板內(nèi)的鋼筋布置與頂緣的剪力釘布置相協(xié)調(diào)，避免了預(yù)制橋面板在現(xiàn)場放置時(shí)的問題，尤其是考慮到對(duì)不同金屬接觸時(shí)的嚴(yán)格要求。翼緣底部的結(jié)構(gòu)板有效地利用了混凝土的抗壓特性，減少了結(jié)構(gòu)鋼的用量。為了便于施工，采用了開口加勁肋板。由于細(xì)部構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施，以及在預(yù)制車間內(nèi)限制使用坡口焊，節(jié)省了檢查和焊接時(shí)間。所有縱梁節(jié)段都是在現(xiàn)場或預(yù)制廠用螺栓連接的，大部分板厚過渡段都位于螺栓連接處。上部結(jié)構(gòu)的所有預(yù)制橋面板都是由多個(gè)預(yù)制廠在車間內(nèi)完成，最大限度地提高了生產(chǎn)率。在預(yù)制車間，有8條預(yù)制生產(chǎn)線，每周可生產(chǎn)多達(dá)51塊面板。

　　斜拉索及錨固

　　斜拉索由127根符合ASTM A416（ASTM 2018）要求，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa的鋼絞線組成。每根鋼絞線的最低斷裂強(qiáng)度為279KN。這些鋼絞線經(jīng)過熱浸鍍鋅處理，上蠟并用高密度聚乙烯（HDPE）套管包裹，且通過測試（包括疲勞測試）驗(yàn)證了斜拉索的性能。根據(jù)全橋的氣動(dòng)彈性試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在可承受的風(fēng)速范圍內(nèi)，橋梁不會(huì)受到渦激振動(dòng)影響。

　　索塔錨固區(qū)是橋塔模塊化建造的關(guān)鍵，錨固結(jié)構(gòu)作為斜拉橋的主要設(shè)計(jì)構(gòu)件之一，在上塔柱的索塔錨固區(qū)內(nèi)設(shè)置連接梁，每根梁由兩塊重型的彎曲鋼板組成，末端有箱形結(jié)構(gòu)支撐，內(nèi)置于混凝土塔壁中，并通過剪力釘和剛性連接鍵連接。主跨區(qū)域內(nèi)的斜拉索均錨固在塔柱外側(cè)的鋼箱末端。將錨碇放置在外部可以減少對(duì)荷載的要求，并使橋塔更纖細(xì)美觀，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將頂部錨碇放置在橋塔內(nèi)部。與傳統(tǒng)的索鞍相比，這種連接梁的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，將非對(duì)稱布置的斜拉索之間的不平衡力傳給橋塔，消除了拉索在索鞍上可能出現(xiàn)的滑移情況。

　　使用連接梁設(shè)計(jì)的最顯著優(yōu)點(diǎn)是，允許橋塔的模塊化建造。雖然上塔柱由現(xiàn)澆混凝土節(jié)段組成，但每個(gè)節(jié)段都已經(jīng)與連接梁、加固構(gòu)件、后張拉（PT）構(gòu)件和支撐框架等預(yù)拼裝在一起。然后通過托架，將每個(gè)預(yù)拼裝節(jié)段吊起并置于前一節(jié)段的頂部。最后，將混凝土澆筑其中。在澆筑過程中，始終對(duì)混凝土的溫度進(jìn)行監(jiān)控。因此，采用模塊化的塔柱結(jié)構(gòu)加快了橋塔的建設(shè)，并使其擺脫了現(xiàn)場施工的影響。

　　橋墩與基礎(chǔ)

　　全橋共有37個(gè)橋墩，其中主跨區(qū)域內(nèi)有4個(gè)，W01、W02、E01橋墩的基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁及現(xiàn)澆混凝土承臺(tái)，而位于陸地上的E02橋墩基礎(chǔ)則采用現(xiàn)澆淺埋基礎(chǔ)。與下塔柱類似，擴(kuò)大基礎(chǔ)和承臺(tái)上方的部分墩身為預(yù)制構(gòu)件。預(yù)制墩身段為空心混凝土箱形截面，使用后張拉（PT）和環(huán)氧樹脂連接在一起。由于該段墩身內(nèi)的剪力鍵是在車間里匹配制造的，因此減少了現(xiàn)場安裝所帶來的問題。

　　W形的墩帽設(shè)計(jì)是新尚普蘭大橋的特色之一，為了加快施工進(jìn)度，將墩帽的上半部分用鋼材制造，縮短了工期。

　　為了與全橋的造型協(xié)調(diào)一致，墩帽的幾何形狀受到了嚴(yán)格的控制。墩帽高11.4m，寬51.2m。業(yè)主允許使用混凝土或鋼來制造墩帽，但指定了墩帽的外觀，僅在名義上容許對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

　　最初的墩帽是設(shè)計(jì)成預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的。雖然用混凝土建造墩帽是可行的，但考慮到有可能產(chǎn)生的幾個(gè)問題會(huì)增加工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)。例如，復(fù)雜的W形墩帽需要在整個(gè)分段區(qū)域內(nèi)進(jìn)行高難度的模板架設(shè)、長時(shí)間的混凝土養(yǎng)護(hù)，而且后張力（PT）構(gòu)件的放置還需要額外的施工步驟。不僅如此，吊裝這么重的混凝土構(gòu)件也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

　　最終選擇的解決方案是用鋼材來制造墩帽的上半部分。為了減少現(xiàn)場施工的時(shí)間和工作量，鋼制墩帽在場外進(jìn)行制造，在安裝時(shí)使用小型起重機(jī)即可，這樣所需的裝配步驟也更少。

　　這類特殊形狀的鋼制墩帽設(shè)計(jì)在技術(shù)上同樣具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)槭┘悠渖系暮奢d不僅包括自重，還需要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的反作用力和滑動(dòng)支座的水平摩擦力。而且該設(shè)計(jì)中還考慮了中心拼接處的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。用于墩帽的結(jié)構(gòu)鋼為350 WT級(jí)。W形墩帽頂部的水平弦桿被指定為可斷裂關(guān)鍵構(gòu)件（FCM），根據(jù)CAN/CSA S6（2012）對(duì)其進(jìn)行了斷裂分析，因?yàn)樗鼈兊臄嗔芽赡軐?dǎo)致橋梁的垮塌。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化了厚板的使用，減少了所需的鋼筋數(shù)量，從而簡化了制造過程。墩帽由兩部分組成，通過駁船運(yùn)抵現(xiàn)場。每半個(gè)墩帽約有200噸重。為了進(jìn)一步加快制造速度，每個(gè)墩帽內(nèi)各設(shè)有3個(gè)可選的螺栓進(jìn)行現(xiàn)場拼接。這些螺栓連接后可以抵抗軸向拉力和剪切力、減少現(xiàn)場焊接，并進(jìn)一步減輕每個(gè)裝配組件的吊裝重量。

　　鋼制墩帽與混凝土承臺(tái)之間的過渡段，被設(shè)計(jì)為鋼-混組合結(jié)構(gòu)。過渡段由帶有剪力螺栓的鋼殼、填充的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土組成。這種連接方式使墩身的鋼絞線處于后張拉力作用下，并以此作為鋼構(gòu)件的固定支撐。為了便于千斤頂?shù)牟僮?，該?jié)段先保持打開狀態(tài)，等頂升完成后，上部鋼箱用螺栓連接到頂部，然后在中心處將兩者連接在一起。

　　所有37個(gè)鋼制墩帽均在三個(gè)制造車間內(nèi)預(yù)制的。由于周密的安排，保證了構(gòu)件預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)化。2017年夏天，第一批鋼墩帽從制造車間運(yùn)抵施工現(xiàn)場。隨著預(yù)制混凝土墩身的完成，將鋼墩帽吊裝就位，并通過后張拉進(jìn)行錨固。

　　建設(shè)這座斜拉橋的主要挑戰(zhàn)是穿越加拿大東部和五大湖地區(qū)的圣勞倫斯水道。因?yàn)楹降纼?nèi)不允許使用臨時(shí)結(jié)構(gòu)，因此必須保持航道通暢，以免影響運(yùn)輸。

　　背索側(cè)的邊跨是在間隔約25米的臨時(shí)支架上進(jìn)行施工的。每個(gè)臨時(shí)支架都配有一個(gè)千斤頂系統(tǒng)，用來控制縱向和橫向的翹曲，并在放置接縫灌注料和現(xiàn)澆混凝土之前，將橫梁預(yù)壓到設(shè)定值。這樣做是為了限制橋面板在橫向上的張力。由于邊跨和橋塔先施工，從而使承包商有充足的時(shí)間為主梁的重型起吊做準(zhǔn)備。對(duì)于鋼板和預(yù)制面板的制造也制定了相應(yīng)的日程。

　　之所以選擇組合鋼箱梁作為主要的上部結(jié)構(gòu)，是基于施工工期的考量。盡管混凝土結(jié)構(gòu)也適用于邊跨，但會(huì)影響冬季施工的進(jìn)度，甚至?xí)⒄麄€(gè)工期推遲數(shù)月。

　　考慮到圣勞倫斯水道可能會(huì)在12月至3月間結(jié)冰，因此暫時(shí)取消了航道作業(yè)的運(yùn)輸限制。然而，冬季的嚴(yán)寒使混凝土澆筑變得困難，并且降低了整個(gè)生產(chǎn)率。因此，在獲得了圣勞倫斯航道管理公司（SLSMC）的船舶通關(guān)許可后，在2018年春季和夏季進(jìn)行了主梁的架設(shè)。將每個(gè)節(jié)段吊裝到車上，通過航道運(yùn)輸至架設(shè)區(qū)域的前部，另一臺(tái)起重機(jī)將其提升到位，并連接到先前架設(shè)好的主梁上。航道上的運(yùn)輸只需要幾個(gè)小時(shí)，一旦吊裝就位，就不再影響通航凈空。因此，在整個(gè)主梁節(jié)段的架設(shè)周期中，對(duì)通航凈空的影響僅限于每月的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。

　　傳統(tǒng)的斜拉橋施工方法是懸臂施工，先架設(shè)鋼箱梁，再張拉斜拉索，最后放置混凝土橋面板。但為了加快施工速度，調(diào)整了施工步驟，用混凝土板、校準(zhǔn)裝置和配重將鋼梁節(jié)段架設(shè)到位，這雖然增加了懸臂施工造成的主梁端部彎矩，但每個(gè)節(jié)段的施工周期減少了。當(dāng)?shù)跹b該節(jié)段時(shí)，混凝土板尚未連接，這樣既減輕了吊裝重量，同時(shí)還減少了由于橫向彎曲而引起的橋面板開裂。每節(jié)段安裝完成后，在拉緊斜拉索之前，預(yù)制面板接縫處由混凝土澆筑連接。

　　重型起重機(jī)共架設(shè)了15個(gè)節(jié)段，每個(gè)重約900MT。在主跨區(qū)域內(nèi)施工涉及多個(gè)階段的拉索應(yīng)力控制，這對(duì)于控制架設(shè)前部后方的主梁反向彎曲是至關(guān)重要的，同時(shí)也有利于施工團(tuán)隊(duì)控制工期進(jìn)度。

　　新尚普蘭大橋在架設(shè)方案上的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新是，2017年底，為了加快進(jìn)度，承包商決定重新規(guī)劃斜拉橋的橋面合龍點(diǎn)，使航道的東西兩岸可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)架設(shè)。然而，由于圣勞倫斯水道禁止施工的要求，該架設(shè)方案導(dǎo)致了從E01橋墩開始的第一個(gè)50米懸臂段，無法使用橋面板下方的臨時(shí)支撐。經(jīng)過大量的工程分析和施工可行性評(píng)估，工程師們提出了一個(gè)創(chuàng)新而大膽的解決方案：在E02橋墩和主跨MS12、MS13梁段用了一個(gè)單柱塔來支撐懸臂。也就是說，東側(cè)的懸臂段實(shí)際上類似是由一個(gè)臨時(shí)斜拉橋來支撐的。由于該方案的成功實(shí)施，取代了曾經(jīng)耗時(shí)的架設(shè)安裝，從而節(jié)省了兩個(gè)多月的施工工期。