深山峡谷的极限跨越——墨西哥巴鲁阿特大桥

多年来，对于特殊桥梁的研究一直受到广泛的关注。随着新材料、结构分析算法和施工技术的不断发展，工程师们总能构思出更具挑战性的设计，墨西哥的巴鲁阿特大桥（Baluarte Bridge）就是其中一例。

巴鲁阿特大桥位于连接墨西哥北部大西洋和太平洋海岸的新建高速公路上。大桥于2008年开始修建，2013年通车。由于桥面至巴鲁阿特河底的最大落差达到400m，建成后成为了北美最高的桥梁，甚至超过了法国的米洛高架桥。

从地形和地质的角度来看，桥址所在的场地非常复杂。大桥跨越了墨西哥北部东马德雷山脉最陡峭的部分，而这部分形似锯齿状的山峰又被称为“恶魔的脊梁”。

为了在“魔鬼之山”上修建一条更安全、更快捷的高速公路，促进杜兰戈市、托雷翁市和蒙特雷市与沿海城市马萨特兰之间的贸易和旅游业，墨西哥工程师们被迫设计出了一条不少于63座隧道的收费高速公路，这比北美任何一条高速公路上所建的隧道都要多出近10倍。在这条路线上，包括巴鲁阿特大桥在内的，共有8座高度超过90米的桥梁。可以想象，当人们驾车行驶在这条公路上时，会享受到令人惊叹的风景。这也是花费180亿比索项目带来的真正价值。

图1 巴鲁阿特大桥与帝国大厦的大小对比

巴鲁阿特河是这条路线上最可怕的障碍，因为它有一个超过四分之一英里深的峡谷。为了跨越深山峡谷，墨西哥工程师决定建造一座斜拉桥。

两座钻石形的混凝土桥塔耸立于峭壁上，塔高分别为169米和150.7米。大桥共有11跨，主跨为520米，其余跨度在40米-70米之间，总长为1124米。主跨跨中范围的432米部分，采用了标准的组合梁断面，宽19.76米。为了减轻重量，桥面板采用了肋形截面，波纹钢板作为模板进行现场浇筑。较短的混凝土边跨先行施工，主梁采用钢横梁连接的双边矩形箱梁断面，通过钢横梁支撑混凝土肋板。基础及下部结构均由钢筋混凝土材料组成，但受制于场地地形的复杂性，桥墩和索塔均采用了不同的形状和尺寸。

图2 不同形状和尺寸的边跨桥墩

斜拉桥施工时受多种因素影响,导致施工时线形及内力不断变化,如不能及时有效地控制和调整,随着主梁悬臂增长,主梁标高最终会偏离设计目标,造成合龙困难,并影响成桥后的内力和线形。因此，必须对巴鲁阿特大桥进行精确的结构分析，并获得成桥之后较为均匀合理的索力和内力分布情况。

图3 悬臂法施工主梁

建立整座桥梁的数值仿真模型，并考虑钢和混凝土材料的本构关系和非线性特性，如混凝土的收缩徐变效应、无应力索长等。然后是各种荷载，包括自重、恒载、可变荷载等。特别是对于采用悬臂法施工的桥梁来说，温度效应对几何线形控制尤为重要。巴鲁阿特大桥分别在上午和下午进行了温度测量，尽管数值相似，但却得到了显著不同的应力结果。

当施工进行到跨中合龙段时，情况会变得更加复杂。需要首先检查合龙段两侧的断面标高，然后张拉钢索以匹配两侧的标高、测量和切割合龙梁段、固定安装合龙装置并焊接连接合龙段，最后拆除合龙装置、放置模板浇筑混凝土桥面板，并进行铺装作业。桥梁合龙后，还需进行荷载试验检测，以验证桥梁的各项性能满足设计要求。

除此之外，还对巴鲁阿特大桥进行了结构动力分析。模态振型和频率为了解该桥的结构动力行为提供了有用的信息。模拟得到的动态分析结果可以补充环境振动测试的实验结果，以确定动态特性的可能变化。

为了评估拉索阻尼的影响，用简化模型分析了连接在两座主塔上的拉索附加黏滞阻尼器。结果表明，使用拉索黏滞阻尼器可以有效地增加钢索的内部阻尼。而且，如果阻尼器位于远离拉索与桥面板连接处，只要桥面板和拉索之间的高度足够安装阻尼器，那么可以减少阻尼器的尺寸。然而，当阻尼器位于非常接近拉索与桥面板连接处时，应谨慎考虑。另外，通过对斜拉索在峡谷风作用下的初步分析来看，采用消能装置可以改善最长的拉索的受力性能。

巴鲁阿特大桥在建设过程中面临着巨大的挑战。不断调整数值模型的索力，让结构受力更加合理被证明是最困难的工作之一。然而，当采用了必要的工具和数据时，任务就变得不那么困难了。此外，不可预测的因素在这样一个大型项目中扮演着非常重要的角色。所以有必要明确数值仿真模型的可靠度。巴鲁阿特大桥在施工过程中的几何控制得到了令人满意的结果。例如斜拉索的垂度效应、结构大变形效应、弯矩和轴力组合效应等都在合理的数值范围内；主要构件的应力结果，在施工阶段和使用阶段的数值均符合国际标准。当然，设计团队和施工团队之间的良好沟通也是项目成功的关键。