跨越三个世纪，美国一座铁路桥的换代升级

美国纽约州西北部的伯蒂奇维尔（Portageville）座落着一座名为杰纳西拱桥（Genesee Arch Bridge）的铁路桥。这座横跨杰纳西河的新建铁路桥与其前身共同见证了三个世纪的风雨，其历史可追溯至近170年前，因而在当地颇有名气。这座历史悠久的铁路桥于四年前正式迎来替换工程，并于2018年迎来全新面貌。由于在施工过程中圆满解决了来自生态环境保护、施工选址、载荷能力等方面的挑战，该项目从设计阶段开始便饱受各界关注。

始建于19世纪50年代的第一代伯蒂奇铁路桥

杰纳西铁路拱桥的前身名为伯蒂奇铁路桥，该桥是一座长244米、高71米的木质高架铁路桥，自1852年建成以来，见证了无数辆火车的穿行。然而，1875年的一场大火使这座铁路桥的木质结构被焚毁，当局在三个月内迅速以熟铁替代原有的木质结构，修复后的伯蒂奇铁路桥于火灾后的第86天竣工通车。

第二代伯蒂奇铁路桥

当年的修复工程成本按今天的美元市值约合210万美元，低于原始木质高架桥的造桥成本。值得注意的是，1875年修复后的伯蒂奇铁路桥重复使用了木质时期的螺栓，墩台则采用混凝土材料，堪称美国早期采用混凝土材料的桥梁先驱。

桥梁的上部结构自1875年至20世纪40年代一直未产生过大变动，尽管其桥面净宽可使两列火车并驾齐驱，但该桥动载荷仅为130吨，且火车驶过该桥时，要求时速不得超过16公里，因此常年保持单轨通行的设计。

印有第二代伯蒂奇铁路桥的明信片正面

该桥百年间一直是当地的标志性建筑。历史上，火车驶过时都会减速慢行，第一是由于桥梁设计的时速有限（时速16公里），第二是方便乘客慢慢欣赏周围的风光。桥梁上承式的结构可令过往旅客欣赏河流上游的河坝、瀑布，和莱奇沃思州立公园（Letchworth State Park）。该桥周边景色秀丽，因此其身影仍经常出现在旅游手册、纪念品，甚至校园活动的宣传海报上。

第三代伯蒂奇铁路桥——杰纳西拱桥的诞生

伯蒂奇铁路桥的承载力已成为整条铁路的瓶颈，车厢不得不减少货物以通过该桥。铁路桥经过了一百多年的风雨洗礼，桥体也已经极度老化。2006年，Modjeski & Masters建筑工程事务所（下称“M&M事务所”）对桥体开展全面检查，以决定桥梁的翻新方案。检测结果发现，该桥几乎所有零部件都已远超疲劳寿命上限，且大部分部件不能达到美国铁路现行的Cooper E80规范，评级为F，无修复必要，不如拆旧换新。M&M事务所提出，在原有铁路桥的平行位置上建一座新桥，施工期间旧桥继续使用，不干扰铁路运营。

新铁路拱桥立面图

新桥最终选定了空腹拱桥的结构设计。由于河谷石壁利于拱跨搭建，且拱桥方案无需在水流湍急的杰纳西河中安置脚手架或永久性构架，因此，这一设计方案很快获得多方认可：新桥将是一座主跨径约147米的双铰式空腹拱桥，且主桥两端各有73米的三孔引桥。这是美国时隔多年后再次启用拱桥方案造桥。

选址挑战 —— 重新规划用地

经过铁路桥施工方与公路、公园等相关业主的协调，最终决定作出以下几处调整：

新桥与河西岸交通基建群的改造：公路除弯加宽，停车场平移扩建，健走路线联通。

整个选址过程可以理解为：单体带动周边，即借助一个单体项目的设计，带动周边小环境基建群的升级。由一个重点工程带动周边地区重新规划的案例很多，在《桥梁》杂志公众号数周前的推送的【伦敦新人行桥】的文章中就提到了泰晤士河南岸九榆树地区的旧城改造项目，讲述了由巴特西电厂改造和九榆树人行桥工程共同支撑起的伦敦旧城改造工程。这也是发达国家频繁使用的基建布局升级模式。

施工挑战 —— 野生动物保护区

施工时最大的挑战来自毗邻的莱奇沃思州立公园，这是一片巨大的次生林地带，也是美国国鸟——白头海雕和当地森林响尾蛇的栖息地，它们均属于美国国家级保护动物。

施工方在工地周边安装了细孔拦砂网，以防止森林响尾蛇进入施工区域。而白头海雕的习性是在固定地点安家建巢，每年定期返回老巢繁衍后代。噪音或其它干扰行为都会使其抛弃老巢，重新去别处安家，不利于珍惜物种繁育。在美国鱼类及野生动物管理局（United States Fish and Wildlife Service，USF）的敦促下，施工方决定降低挖掘、爆破、钻孔的操作频率，尽可能采用微型桩等轻干扰的施工方式。施工方的努力没有白费，施工期内，施工人员从未受到响尾蛇的袭击，附近的数十窝白头海雕亦从未离弃老巢，且一直在抚育雏雕。

美国国鸟——白头海雕

施工工艺 —— 散热与抗风

杰纳西拱桥施工照片

新桥使用了近四千吨的美标五零级结构钢材，其中83%的结构钢用于拱桥主跨；新桥还使用了2,905立方米的混凝土，以及12,233立方米的石料，为强化承载力，每根拱肋的一端都接着一根直径为61厘米的锻钢筋，连接拱座上的轴承座与柱脚铸件。

杰纳西拱桥施工照片

2015年2月正式开始施工，先是拔除施工场地周边的林木，然后是为拱座挖掘而进行的爆破工作，在考虑噪音与污染等限制条件后，决定采用分步式挖掘钻探及地下爆破作业。河道两岸的混凝土拱座分别于2016年12月及2017年3月就位；截至2016年7月，墩身的加固工作宣布完成，为后续混凝土的成型和浇筑做好准备。引桥支墩的部分采用了新的施工手段，即在引桥支墩内部加入带有瓦楞纹路的钢管，这种钢管将在引桥支墩内扮演“烟囱”的角色，可帮助混凝土浇筑散热，有效防止混凝土产生裂缝。

M&M事务所在制定该翻建项目设计标准时还仔细评估了桥梁上部结构的风载荷参数。尽管美国铁路工程协会（AREMA）施工手册指出，列车行驶时施加在铁轨上方高度2.4米位置的风载荷应小于每延米46公斤，但该参数不包括双层集装箱列车负重的需求。所以手册中要求工程师在评估双层集装箱列车的风载荷时，应酌情加强结构设计，考虑满足双层集装箱货运列车通过的需求。于是M&M事务所采用较为保守的方案，使用几辆六米高的模拟车辆进行风荷载实验，使桥梁设计满足美国重载铁路的抗风标准上限。

美国西部重载铁路，三车头，双层集装箱。

美国钢结构建筑桥梁设计标准规范（2018）也由诺福克南方公司(NS)等几家大运营商推动更新。超长（长度大于2000m）、重载（轴重大于30吨）、快速（时速大于100km/h）的运输要求是未来运输的方向，挑战载重极限的同时对桥梁结构提出新的要求。

竣工通车

最后一辆通过老铁路桥的列车于2017年12月11日下午1点40分驶过，仅仅四十分钟后，一列从纽约州布法罗开往宾夕法尼亚州艾伦镇的NS 36T次列车驶过新铁路桥，标志着新桥试通车的成功。旧桥铁轨、桥枕、桥孔及河坝排架的拆除工作随即开始。2018年5月，旧铁路桥的拆除工作基本完成，旧铁路桥河中桥墩的拆除意味着1851年以来杰纳西河首次畅通无阻地流过伯蒂奇地区。

新落成的杰纳西拱桥于2018年底通车

诺福克南部首席执行官詹姆斯·斯奎尔斯(James Squires)宣布，这座横跨百米深杰纳西河峡谷的大桥被命名为杰纳西拱桥（Genesee Arch Bridge），以纪念一个新的开始。约州交通部代理局长保罗·A·卡拉斯（Paul A. Karas）表示：“每天都有14趟火车驶过杰纳西拱桥，每年通过火车运过该桥的商品重量达1700万吨，这座新桥是促进该地区和整个州商业发展的重要设施。”2018年10月1日，伯蒂奇维尔国家公园及杰纳西拱桥的周边园区重新面向公众开放，但仍保留了部分老桥部件用于历史展览，周边基建群的升级改造标志着本地的运输、旅游、商贸进入新时代。同时受益的还有纽约州链接西北部的10条短线铁路，这些铁路服务于本地的产业链，并将它们与诺福克南方的铁路网络连接起来。

原铁路桥的保留部分

纽约州为这座桥的设计和施工提供了1,550万美元的资金，其中芬格湖地区经济发展委员会（Finger Lakes Regional Economic Development Council）拨款200万美元，纽约州和联邦政府通过纽约州交通部（New York State Department of Transportation）提供了1,350万美元的资金；诺福克南方投资5,950万美元。该项目有资格通过联邦公路管理局（Federal Highway Administration）的拥堵缓解和空气质量改善计划（Traffic Mitigation and Air Quality Improvement Program）获得资助，以表彰货运铁路与卡车运输相比，减少碳排放对环境的优势。

由于出色完成了生态环境保护、施工选址、施工创新等多方面的挑战，并且成功地升级将桥梁载荷能力提升至美国重载铁路标准，这座位于伯蒂奇维尔的桥梁替换项目（Portageville Bridge Replacement）被ENR授予2018年度优秀桥梁项目奖（Bridge Award of Merit 2018）。

附杰纳西拱桥翻建信息：

桥梁业主：诺福克南方铁路有限公司

桥梁设计方：Modjeski 与Masters 建筑工程事务所

施工单位：American Bridge Co.

资料来源：

https://www.asce.org/cemagazine/replacing-an-icon/

https://www.enr.com/articles/45301-portageville-bridge-replacement-highwaybridge-award-of-merit-2018

编纂 / 单霏霏 陈业恺

美编 / 赵雯

责编 / 陈晨

审校 / 盛超 廖玲

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