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如果您乘坐火车从纽约市向北行驶,您一定会欣赏到塔潘泽桥横跨浩瀚的哈德逊河第二宽处的景色。这座悬臂桥是 20 世纪 50 年代和 60 年代最流行的结构风格之一的典范,那是美国桥梁建设最为蓬勃发展的时期。从河畔观景台上观看这座桥梁,塔潘泽桥老化的倾斜梁在厚厚的钢格中相互支撑。这座桥梁的使用寿命超过了最初的 50 年,但现在每年的维护费用为 5000 万美元。因此,纽约州高速公路管理局在 2012 年邀请工程团队提交更换方案。三个团队起草了相互竞争的方案,但他们都采用了相同的桥梁设计——斜拉桥。塔潘泽桥梁建造商中标的方案,即目前被称为 新纽约桥 的项目,将横跨哈德逊河五公里,耗资 39 亿美元。第一根破浪的钢材于 9 月在威斯特彻斯特县海岸附近安装——两根粗大的钢筋立柱,将支撑新桥引桥的一部分。
在其他地方——密西西比州格林维尔、肯塔基州路易斯维尔 和 华盛顿州塔科马——土木工程师也在选择斜拉桥设计,以更新国家老化的基础设施。“二十年前,每个州都想建造第一座 [斜拉桥],但现在你看到越来越多的斜拉桥,”美国土木工程师协会前主席 安德鲁·赫尔曼 说。“它们正在成为美国首选的桥梁类型。”
斜拉桥在桥梁设计中最接近的亲属是悬索桥,两者之间的区别主要在于拉索。在像 金门大桥 这样的悬索结构中,主缆索从桥塔到桥塔串起,次缆索从主缆索垂下,以固定桥面。相比之下,斜拉桥的拉索直接从桥塔延伸到桥面。它们基本上消除了桥塔之间的缆索。
如今,当工程师设计桥梁以承载交通时,斜拉桥方法通常是首选,前提是待安装的最长路段在 150 米到 915 米之间。在这些长度下,更薄的桥面和简约的拉索模式几乎总是在成本、时间和材料节省方面胜过其他替代方案。斜拉桥不适用于主跨超过 915 米的桥梁,因为桥塔必须比相同长度的悬索桥的桥塔高出两倍,才能串起足够的拉索来固定桥面。对于非常长的桥梁,传统的悬索桥胜出。
新纽约桥上要吊装的最长路段将为 365 米。“它确实完全符合斜拉桥设计所能实现的最佳范围,”纽约桥梁项目经理 大卫·卡波比安科 说。两条并排悬挂的宽阔路段,分别用于东西向交通,将使塔潘泽桥的通行能力提高一倍以上,并使新纽约桥成为世界上最宽的斜拉桥。新桥的建设于去年夏天开始,预计第一批汽车将于 2016 年底之前向西通行。东向车道定于一年后开通。
斜拉桥方法是塔潘泽桥更换工程的首选,还有其他原因。像哈德逊河下游的乔治华盛顿大桥这样的悬索桥需要在两侧设置大型锚固结构——通常是巨大的混凝土块——以将桥梁固定到位。“斜拉桥是自平衡的,”T.Y. Lin International 首席桥梁工程师 大卫·古德伊尔 说。“你不会像悬索桥那样有很大的水平力。”斜拉桥的桥面重量在桥塔两侧均匀平衡,而不是像悬索桥那样从绷紧的缆索上直接垂下来。
新纽约桥的哈德逊河工地提出了另一个问题——柔软的粘土和淤泥层 堆积在基岩之上。为了建造这座桥梁,施工队已经开始安装桩基——长长的钢杆,下沉深度达 380 英尺,以到达下方的岩石。斜拉桥的平衡重量消除了桩基和桥墩上的大部分向下压力——这在软土中尤其有帮助。“你不需要那么多桥墩,”纽约州立大学布法罗分校桥梁工程研究所所长 杰罗姆·奥康纳 说。通过建造更少的桥墩,工程师可以节省施工时间和金钱。“根据经验,项目成本的三分之一在地下或水下,”他补充道。“你可以在桩基和桥墩上花费很多钱。”
斜拉桥在美国首次亮相的时间相对较晚,尽管它们在其他地方已经流行了数百年。工程师 阿维德·格兰特 在 1978 年在华盛顿州帕斯科和肯纳威克之间的哥伦比亚河上建造了美国 最早的斜拉桥之一。格兰特在欧洲接受培训,那里的桥梁建造商已经磨练斜拉桥方法数十年,最早使用这种设计的现代桥梁之一于 1955 年在 瑞典建成。在美国,法国工程师让·穆勒完成了另一个主要的斜拉桥项目,即 1987 年在佛罗里达州圣彼得堡建成的 阳光高架桥。大约在同一时间,应力耐受性、耐腐蚀性和计算机建模方面的改进帮助提高了它们的普及程度,因为工程师可以更便宜、更高效地建造它们。
拉索腐蚀和振动仍然是斜拉桥的两个主要担忧。对于新纽约桥来说尤其如此,它将承受哈德逊河沿岸引起高振动的强风,以及冬季积聚在桥面上的大量盐和雪。为了应对这种情况,桥梁将覆盖传感器,这些传感器可以检测接头或拉索的腐蚀并跟踪拉索振动。这些传感器将无线传输数据到软件,软件会实时分析数据。
新纽约桥预计将使用 100 年——是最初计划塔潘泽桥运营寿命的两倍。赫尔曼说,美国桥梁的平均年龄为 42 岁,许多像塔潘泽桥这样的现代钢桥的寿命已经超过了 50 年的设计寿命。纽约州的那些桥梁——是美国最早建成的桥梁之一,并且已经承受了 50 多年东北部严酷的冬季——比全国各地的大多数桥梁状况更差。“斜拉桥肯定会长期存在,”卡波比安科谈到新纽约桥时说。“尽管这座桥梁将是纽约州第一座斜拉桥,但肯定不会是最后一座。”