新斯托海峡大桥 柔美与坚韧共舞

正在建设中的公铁两用桥——丹麦新斯托海峡大桥（Storstrm Bridge），长3.832公里，横跨马斯内岛（Masned）和法尔斯特岛（Island Falster）之间的斯托海峡。建成后将取代1937年建造的拱桥，并成为丹麦第三大桥梁，仅次于大贝尔特桥和厄勒海峡大桥。

新斯托海峡大桥主桥为独塔斜拉桥，长320m，跨径布置为160m+160m，桥塔高100m。引桥标准跨长80m。主桥与引桥桥下通航净高均27m。桥面布置双线高速铁路（设计时速200km）、两条车道和一条非机动车道。

图1 新斯托海峡大桥效果图

一体化预制的设计理念

在大型桥梁中，结构的设计和施工方法的构思紧密相连。设计之初，面临着五项挑战。

运输：在海上建造一座约4公里长的大桥，需要大量的材料和工人，优化运输成本至关重要。

天气：北欧的低温和频繁的大风需要将海上作业人力最小化。

质量：在高耐久性、高质量混凝土的目标要求下，需要在尽可能好的条件下进行生产。同时，需要保证生产车间有适当的遮蔽物、设备和条件。

经济性：优化成本效益比的目标要求规模经济，即施工程序标准化和生产工厂集中化。

时间：建设时间紧迫。通过减少与建设时间成比例的间接成本来实现节约的目标，同样需要工业化的建设系统和创新的架设方法。

对上述挑战的可行性方案进行分析后，淘汰了传统的现浇混凝土，例如涉及移动模板的方案，因为所有施工作业均在海上进行，材料和工人的长途运输不可避免。

同时，由于桥面的横向及竖向曲率变化，以及预制节段的巨大长度和重量带来的风险和困难，使用大量施工缝的桥面预制件方案被否决，纵向下水方案也被否决。

然而，为了在尽可能良好的环境条件下建造混凝土构件，提高混凝土质量，采用预制的设计理念，最大限度地减少海上工人的活动。

地基、桥墩和主梁的预制，将所有生产工作集中在一个装备最佳的区域，并获得最大的规模经济优势。并且，架设预制主梁能够最大限度地减少运输、吊装和连接作业。设计特殊的方法和设备，允许使用专门设计的结构和所谓标准的航海/起重设备快速安装。这就避免了使用巨型起重机，因为巨型起重机少且价格昂贵，有可能影响工作效率。

另外，一体化的设计思路，使得高架桥和斜拉桥采用完全相同的施工方法，充分利用相同的施工设备、已经培训过的施工队伍和相同的架设设备。从概念阶段就将设计与施工紧密结合起来。

合理的结构设计及优化

桥梁结构布局

大桥由一座主桥和两座引桥组成，全部采用预应力钢筋混凝土。主桥为斜拉桥，两个主跨均为160m。整个结构分为北、中、南三段，由两道伸缩缝分隔，并通过减震装置连接。

北高架桥16跨，长度为（1x72m+15x80m），总长1272m。3个中央桥墩与主梁有纵向固定连接，其他则为滑动连接。

南高架桥18跨，长80m，总长1440m。3个中央桥墩与主梁由纵向固定连接，其他桥墩为滑动连接。

主桥共有12个跨度，桥跨布置为5x80+2x160+5x80，总长1120m。主塔与梁固结。斜拉索位于中央平面上，在桥面的间距为 7m，每侧20根。除纵向固定连接外，所有位置都有一个单向支座和一个多向支座。考虑到船舶撞击时的情况，在水平荷载最大的桥墩上设有剪力键。

主梁横截面形状和特性

主桥与引桥主梁均采用单箱单室梯形截面箱梁，该桥箱梁与传统箱梁不同，设有两层顶板，内部为桁架式横隔板。受线形限制，中央分隔带（在主桥上为桥塔和斜拉索的安装位置）和承载铁轨桥面部分，从箱梁的中心线开始略微向下倾斜，使箱梁顶板线形成折线形。

图2 标准断面

桁架式预应力混凝土结构的横隔板具有双重功能：支撑顶板，以及避免因扭转荷载引起的变形。事实上，每对横隔板的对角线都为纵向中梁提供了支撑，而纵向中梁又为顶板提供支撑。因此，顶板横向支撑在三条纵线上，即两条腹板和中梁。通过这种方式，箱梁整体行为的主要纵向应力就与局部行为的横向应力分开，而非叠加在一起。

纵向弯矩的优化

主梁的纵向弯矩通过专门的程序进行了优化。从施工方法的描述可看出，主梁在安装时处于简支状态。在任何情况下，梁的前端都高于最终支撑高度，这样，在与前一段梁进行拼接后，前端就可以降到最终支撑上，并在后墩处产生负弯矩。对所有梁都进行这种操作并整合，可产生正负弯矩的交叉结果，以及弯矩分布优化的连续梁条件。1998年，DMA在大贝尔特桥的高架桥施工设计时已采用了这一方法。

桥墩和地基

地基位于砾石上，根据不同土壤条件采用不同尺寸的预制沉箱结构，由双体船装载安装。桥墩为可变的几何形状，从矩形截面到六角形截面，横向和纵向随高度变化。这种高度的可变性很难通过现浇施工来控制，因此计划采用分段预制的施工方式。

创新的施工设计

除了靠近两个桥台的前两跨结构和斜拉桥桥塔，结构均为预制。前两跨结构在预制厂完成，而斜拉桥桥塔在招标阶段，考虑到承包商可利用的设备，对总体概念和施工方法进行了研究，并在初步设计阶段得到了业主的批准。

高架引桥的高效施工

沉箱基础在特定车间预制，装载到驳船并放置在砾石垫上。

桥墩通过软件程序设计的独创系统安装，该系统包括预制节段的组装，预制节段由特殊的预埋钢架连接，并允许通过垫片调整水平和倾斜度，从而实现快速干燥安装。墩柱节段使用600吨重的浮桥进行定位。

图3 预制基础和桥墩节段

图4 双体船吊装作业

图5 73m预制梁的航行

在完成桥墩节段全部安装后，依次浇筑混凝土接缝，然后再进行上部结构的分段安装。

主梁在车间内按五步进行预制。经后张拉并装载到驳船上，被运抵安装现场，由专门设计的可移动升降臂和升降塔组成的特殊系统进行起吊，以桥墩为中心，不设悬臂。因此只会在桥墩顶部产生竖向荷载。

斜拉主桥的快速可复用

施工设计方法

在两个斜拉桥跨的中跨处安装几个钢制临时桥墩后，斜拉桥的桥面架设方法与高架桥相同，可以利用高架桥使用的预制厂房和设备。在主梁架设完成后，将进行斜拉索的安装和张拉，完成后拆除临时桥墩。

图6 专门设计的吊梁起重系统

斜拉桥的施工需要设计特殊的辅助临时结构，以扩展之前提出的全预制概念。

初步设计后，通过一系列静态和动态分析，对结构概念进行了验证和完善，证明其符合规范和其他招标文件的要求。此外，大桥面临并解决了与公路和铁路动力作用、风力、船舶冲击和施工相关的众多设计挑战。

这座新斯托海峡大桥在2018年开工时，最初的预估建设成本约为3.32亿美元，加上拆除现有旧桥的经费，项目总耗资预计约为6.78亿美元。原计划2022年开通公路交通，2023年开通铁路交通。但是由于新冠疫情的影响、施工成本增加，工程延迟。预计2025年公路开放，2027年铁路投入运营。新桥对于丹麦国内和国际交通都具有非常重要的意义。从丹麦本国来看，新桥配备的公路和铁路将确保区域交通流动，紧密连接法尔斯特和西兰岛。从国际视角来看，未来几年，丹麦境内途经克厄（Kge）的哥本哈根-灵斯泰兹（Copenhagen-Ringsted Railway）铁路和德国的费马恩隧道建成通车后，从丹麦直通德国铁路的运载力将得到进一步加强。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2023年 第5期 总第115期

作者 / Mario de Miranda等

作者单位 / DMA咨询工程公司

西班牙Arenas & Asociado公司等

资料来源 / IABSE2022布拉格会议

Premier Construction杂志等

编译 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 李诗韵

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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