普利桥替换工程

项目信息：

建筑设计：Knight建筑事务所

结构设计：GHD事务所

总承包商：Eric   Wright土木工程公司

业主：坎布里亚郡议会

2015年12月，戴斯蒙德风暴（Storm Desmond）带来的前所未有的降雨量，给普利桥所在地区造成了大范围洪水。洪水造成了450多座桥梁损毁，其中之一就是这座拥有251年历史的英国II级保护建筑——普利桥（Pooley Bridge），该桥在毫无预警的情况下倒塌了，到第二天早上，剩余部分也被洪水冲走了。于是，整个村庄与埃蒙特河西岸分隔，中断的交通给当地的居民和企业带来了非常大的困扰。这座以“Pooley”村庄命名的三跨石拱桥始建于1764年，它横跨埃蒙特河，是当地一个非常重要的交通通道，由当时的坎伯兰郡（Cumberland）和威斯特摩兰郡（Westmorland）两地的议会出资修建。建筑工人和石匠的姓名首字母还被雕刻在桥墩的砌石上。

2016年2月，当地的承包商Waitings开始从河中清理石头和碎片。不幸的是，旧桥上的大部分石头都丢失了，可以打捞出的数量非常少，能够重新加工使用的也都已经储备起来。随后，新的坎布里亚郡议会（Cumbria County Council）委托Story承包商，在当年的复活节来临前必须安装一座临时替代桥以供居民通行。临时工程解决方案由英国老牌建筑公司Mabey Hire提供。虽然这是一项具有挑战性的复杂工作，但通过众多利益相关者的支持与合作，临时桥梁提前一周开通了，避免了长达16km的绕道。当然，临时桥梁毕竟不是长久之计，因此新普利桥建设项目也很快被提上了日程。

普利桥位于湖区国家公园的东北大门处，是联合国教科文组织UNESCO世界遗产保护区，拥有英格兰西北部独特的美丽景致。该桥的设计目标就是为了要降低洪水风险并使结构更具抗洪能力，同时也是一个符合当前技术标准和满足环境署EA（Environment Agency）规定的、不会过时的设计，实现当地社区建造一座高质量新桥的共同愿景。永久桥梁替换工程在第一阶段需要有一个新桥的概念设计，也需要股东们的参与。为了降低洪水风险并使结构更具抗洪能力，新普利桥被设计成跨度为128ft.（39m）的单跨结构，以避免在河流中设置桥墩。流畅而纤细的拱桥桥身配上特殊的不锈钢材质，在减轻重量的同时也保持了结构的强度。新普利桥是英国第一座不锈钢公路桥，之所以选用不锈钢材料建造，主要是设计师们想要创造一个与当地环境保持一致的标志性建筑。桥梁造价约700万英镑（约合人民币5,857.39万元），该桥的设计方案有民意代表参与并募集了部分经费，新桥也是带给全村的最好的礼物。

新普利桥采用异常纤细的40m长的空腹拱跨，创新性地采用了不锈钢和高强混凝土的组合结构，支承在由当地砂岩包覆的钢筋混凝土桥墩上。单个净跨做到了对环境影响最小，且洪水风险也较低。

从可持续性来看，新桥上采用的双相不锈钢具有非常好的耐应力腐蚀开裂性能，适用于海洋环境，比普通钢重量更轻，耐久性更长。不仅如此，在强度方面也有很大的优势。双相不锈钢因其金相显微组织由铁素体、奥氏体两种不锈钢晶粒组成，强度比常规的奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢高两倍，韧性和延展性也明显优于铁素体不锈钢和碳钢。并且，它是一种100%可回收材料，几乎不需要维护。因此，使用不锈钢最大限度地降低了结构中所需的混凝土用量，从而减少了桥梁中的碳足迹，打造出了更时尚的设计。

新普利桥只有一条车道，宽3.25m，适合所有形式的车辆通行。桥的两端均设有红绿灯，用来控制过桥的交通流量。另外，桥的两侧也都有行人专用道。新普利桥总共使用了约80t不锈钢，铺设了2,000t混凝土和650㎡的当地石材。约250人参与了该项目，整座桥的建设耗时约10,000h。

由于桥梁位于山腰处，地质条件不利于施工，必须在河内进行施工作业。桥梁的建造还受到环境和经济方面的限制：现场施工期间正处于旅游旺季和鲑鱼产卵期，要避开鲑鱼产卵期以满足环境署EA（Environment Agency）的要求，而且还要考虑到旅游旺季，不能影响当地经济。这些限制因素没有给施工留下合适的窗口期，也不允许在河床内搭建临时支撑，同时需要为行人和设备搭建一个通往村庄的临时通道并鼓励最大化程度的场外施工。将钢材作为结构的一部分是满足这些限制条件的关键。项目团队通过出色的合作和细致的安排，最终采用了创新性的预制装配式解决方案来应对这些限制因素和复杂挑战。

作为英国首座不锈钢公路桥，其独特之处在于使用的材料、组合以及桥梁的结构布置， 7.5m长的平衡跨隐藏在桥墩内，可将拱结构受压产生的内力传递给桥面水平构件。这样的做法使得桥梁不仅获得了一个传统的拱结构桥面外观，而且无需将水平向反力传递给一个承载力较低的地基。桥梁的其它创新之处在于项目团队还专门为这座桥梁开发了一个三向可活动式连接节点并进行了相关性能分析，以证明其适用性。桥梁支座是由支座厂家设计/制造的最大连杆支座，重达2.8t。将传感器浇筑在混凝土中来监测强度变化，为后续的桥梁起吊提供关键的测量数据。钢结构在现场组装后，进行激光扫描，以确保在安装前，一切都完美契合。

由于采用了高强不锈钢材料，因此细柔的设计成为可能，也最大程度地降低了材料用量和相应的二氧化碳含量。由于采用了85%的可回收成分以及生产场地低碳耗能，这种特定钢材的碳含量仅占全球不锈钢平均碳含量的20%。

这个重达110t的钢结构全部由定制截面组成，分四部分进行加工，花费了约22,000h的人工和相当多的专业技能得以完成。采用了一个装配支架来安置这些桥段，这样整个结构不同部位的工作就可以同步完成。采用不锈钢筋加工了1,920个剪力栓钉并且焊接在拱结构内表面和桥面上以形成钢-混凝土组合结构。

更换桥梁项目原定于2020年初完工，但由于新冠病毒的大爆发对整个项目产生了重大影响。为了尽快完工，承包商调整了施工时间表，将大部分的工作安排在夜间进行。整个钢结构桥身仅在3h内就完成了复杂的现场吊装作业。在吊装桥身的同时，另外两段用于将桥梁固定在桥台上的钢材也已交付、组装和提升到位。桥台两侧已拆除模板，露出由钢筋混凝土构成的拱座。之后，永久支座提升到位，张拉螺栓在主体结构、支座之间连接并对准。拱背、拱上建筑和支座都已全部固定到位，共使用了2,400多个螺栓连接，最后拆除临时拉杆。

通过在河岸上架设临时支撑结构，将桥梁结构在现场进行了组装。然后将拱结构的混凝土部分在临时位置进行浇筑，对桥面的不锈钢部分进行焊接，然后再将合成起来的部分结构一次性提升就位。在临时施工状态下，系杆将拱结构的起拱点连接起来打造了一个稳定体系，桥墩内的纵向约束框架则将这些系杆的内力传递给安装好的平衡跨。重290t的桥梁主跨的安装需要采用一台起重能力为1,350t的移动式起重机，这也是英国最大的起重机之一。通过狭窄的湖泊道路将桥梁部件运输到现场并在一个非常受限的场地上进行组装，这对项目团队来说是额外挑战。在提升作业之后，将平衡跨安装在桥墩内，然后将连接拱结构起拱点的临时系杆移除，再浇筑桥面混凝土部分以完成最终的永久结构体系。

桥面采用砂岩路面、花岗岩路缘，并采用不锈钢和Cumaru木材来做栏杆。管道被布置在桥面铺路层内，这样通过桥梁的管线就是不可见的。

2020年10月，跨越埃蒙特河的新普利桥正式通车。可以说，这座新桥的建成，在设计和施工方面，听取了社区居民的意见，并专注于实现符合他们想法的设计理念，同时也满足相关的各项技术标准。这座具有里程碑意义的桥梁，还将继续为当地旅游事业发挥重要作用。

2021年，新普利桥也入围了英国结构工程师学会公路/铁路桥梁奖。其入选理由是：这座单跨为128ft.（39m）的公路桥采用空腹拱设计，独特而纤细。利用创新性的不锈钢材料建造，在减轻桥体重量的同时，结构的承载力比传统钢材提高了约25%。从全生命周期成本考量，具有出色耐用性的可回收材料有效降低了桥梁在使用寿命期间的维护成本，成为连接厄尔斯沃特山谷（Ullswater Valley）的一座永久性桥梁。 

注：本文部分内容引自《桥梁》杂志，2021年第6期，以及坎布里亚郡议会官网。