裂缝同时冲击西雅图并排桥梁

12/2/2021

西西雅图高桥和斯波坎街摇摆开启桥（West Seattle High-Rise Bridge 和 SpokaneStreet Swing Bridge）横跨西雅图的杜瓦米什（Duwamish）航道。在因维修而关闭之前，高桥是该市最繁忙的十字路口，每天运送超过10万名游客。（图片由SDOT提供）

By Robert L. Reid

如果发现一座横跨航道的混凝土大桥出现严重开裂问题，对任何一个城市的交通部门来说都已经够糟糕的了。但是想象一下西雅图的问题，不是一座而是两座桥，第二座桥与第一座桥相邻，也面临着混凝土开裂的问题。更严重的现实是，第一座桥一旦开裂问题开始恶化，就必须立即关闭，而第二座桥则必须容纳绕行造成的更大的交通量。

去年，西雅图面临着严峻的挑战是由于混凝土桥梁的裂缝加速发展，西西雅图高桥于2020年3月23日禁止所有交通，封闭之前，这是该市最繁忙的十字路口，每天运送超过 100,000名旅客通过Duwamish航道。根据2020年3月26日西雅图交通厅的SDOT博客上发布的信息，2013年在例行检查期间首次发现桥梁裂缝，在后续每年都进行裂缝监控，而不是按照联邦政府的要求每两年进行一次。

对开裂的担忧

西西雅图高桥于1984年竣工，被称为高桥，是一座三跨后张法节段拼装混凝土箱梁桥，长约1300英尺，高出杜瓦米什河140英尺。SDOT与国际工程公司WSP USA合作，多年来通过数字设备和现场检查跟踪结构的开裂。但该博客指出，尽管采取了关键的维修措施，如向裂缝中注入环氧树脂，裂缝仍在继续扩大。

在2020年春初，发现了显著的新裂纹。这篇博文解释说：“这证实了裂缝已经迅速加速，除了立即关闭桥梁之外，别无选择。”

SDOT道路结构部门主管、美国交通部国家桥梁检验标准认证桥梁检查员Matthew Donahue（P.E.、C.Eng、M.ASCE）指出，即使在高桥关闭后，结构也会“在其自身重量下继续开裂”，这一事实也证实了情况的严重性，“即使封闭交通后不在有车辆活荷载，我们仍然看到与以前相同的裂纹扩展速率和数量。”

绕行限制

幸运的是，在高桥附近还有另外一座桥，沿着穿过杜瓦米什的东西走向，可以分担主交叉口的部分交通。不幸的是，第二座桥——斯波坎街摇摆开启桥（由于其桥下净空仅有55英尺，俗称低桥）自1990年代后期以来，也经历了混凝土开裂。

在西西雅图高桥和斯波坎街摇摆桥出现开裂后，高桥必须关闭，而相邻的低桥必须承担部分（但不是全部）绕道交通。（图片由SDOT提供）

然而，根据一项调查，矮桥的裂缝并没有扩大，也没有像高桥一样严重（2020年07月14日SDOT博客）。这座矮桥于1991年竣工，也是一座后张法混凝土箱梁结构，有两个7500吨的可移动半桥，可分开开启，以便船舶通行。

这座矮桥以前主要用于商业货运和应急车辆。Donahue指出，它的设计并不是为了承载高桥的全部交通量。因此，SDOT研究了交通数据，以确定低矮桥梁全天的通行能力。

最后，SDOT在上午5点至晚上9点之间实施限制，在此期间，只有指定车辆才能使用矮桥。其中包括应急和货运车辆、公共交通和校车、雇主专车和厢式货车，行人、骑自行车者和获得豁免的驾驶员也被允许。Donahue指出，任何不属于这些类别的司机，如果试图在限制时间内通过矮桥，将面临75美元的罚款。

刚开始车辆限行是通过现场警察异议盘问司机，进而实现交通限制；但到2021年1月，SDOT开始使用自动摄像系统读取车牌。Donahue补充说：鉴于西雅图市对监控技术的反感，该系统的应用必须得到西雅图市议会的批准。

从稳定开始

Donahue说，SDOT对双重裂缝问题的回应主要集中于为了防止桥梁倒塌，需要确定是否要修复或更换该结构。为了确定高桥的结构完整性，SDOT利用探地雷达、超声波层析成像和冲击回波系统对高桥进行了各种无损检测，并研究了十多个取芯样品和现有灌浆样品。

Donahue说，这两座桥都安装了大量的仪器，因此SDOT可以密切关注任何变化，基本上每天24小时、每隔一分钟跟踪裂缝。

在安装完整的监控系统之前，Donahue每天早上还带着SDOT员工的骨干团队前往桥梁现场。穿上必要的安全设备，通过一个小检修孔和一个30英尺长的梯子进入桥梁，亲自检查结构的某些关键部件，确保每天的安全运行。参与这项稳定工作的员工主要来自SDOT、WSP和位于威斯康星州平原的KraemerNorth America建筑公司。

设备安装由来自科罗拉多州路易斯维尔的Bridge Diagnostics公司完成。这些监测装置包括用于测量关键伸缩缝处伸缩的移动传感器、用于测量桥梁垂直和横向移动的桥面监测器、安装在关键主梁上用于测量裂缝宽度和移动的振弦式裂缝计，和摄像头记录任何可见增加的裂缝。

Donahue补充道，在高桥的关键位置，特别是15号和18号桥墩，安装了拉线式位移计，以监测结构的伸缩情况。一联测绘还安装了一个形状阵列系统来监控高桥的整体运动，以监测整体移动的高桥。Donahue解释说，这种装置包括一个与GPS相连的线性测量系统，在桥的每一侧安装平行于行车方向的传感器。

SDOT和WSP制定了高桥稳定方案，Kraemer负责施工。

稳定工作涉及在桥梁箱梁结构的空心部分内安装大约10英里长的新后张拉索和锚具。环氧树脂注射用于填充现有裂缝以保持桥梁的耐用性，高桥的关键部分也用碳纤维增强聚合物材料包裹，以加强关键位置的结构（以上信息来源于 SDOT 网站上的信息）。

Donahue 说，在18号桥墩，侧向支座“已被锁定”并变形。根据2020年11月5日的一份报告，这阻止了左右两侧相互独立的桥梁的两个关键部分按照设计的方式移动，对周围区域产生额外的压力并影响整个桥梁（SDOT博客文章）。因此更换了损坏的支座，并添加了新的混凝土以将新支座固定到位。

决定修复

2020年11月，西雅图市长Jenny Durkan宣布决定修复现有的高桥。这促使SDOT启动了第二阶段工作。多纳休说：“高桥修复工程仍在设计中，目标是2022年年中某个时候重新开放”。

SDOT还为矮桥制定了修复计划。Kraemer将进行第二阶段的维修。

在高桥上，修复工作将涉及额外的环氧树脂填充裂缝、安装更多的后张拉预应力和碳纤维包裹，以及加固桥梁的边跨。矮桥的维修包括注入环氧树脂和缠绕碳纤维、升级控制系统，使桥梁能够打开和关闭，以及结构的液压系统的修整。

同时，SDOT也认识到这座高桥可能需要在未来的某个时候进行更换（可能是40年或更长时间）。为此，该部还与HNTB签订合同，研究可能的替代方案。

桥梁之外

当像高桥这样的大桥不得不关闭时，这不再只是一个桥梁问题，还涉及到对现在有交通影响、结构健康和行车安全影响、种族和社会公正的影响，以及其他问题。

Donahue说，幸运的是，通过与社区工作队、社区领导人和技术咨询小组密切合作，SDOT部门对所有潜在破坏性项目（即便是规模较小的项目）都遵循“一个非常稳健、深思熟虑、有意义的推广计划”。此外，Donahue还赞扬了SDOT市区交通主管Heather Marx的工作，他专门负责维修高桥矮桥、安全、交通缓解以及其他可能因桥梁关闭而产生的问题。

Donahue说，为了确保高桥附近人员和企业的安全，SDOT在桥的两侧设立了一个大约225英尺宽的“红色区域”，作为在最坏情况下结构似乎要倒塌时的疏散区域。SDOT与西雅图警方和消防部门、港务局、美国海岸警卫队和其他部门合作，准备在此类事件即将发生时撤离该地区。

Donahue说，SDOT甚至在深夜多次模拟紧急情况，通过电话通知所有关键利益相关者桥址即将发生灾难。

维护成功案例

虽然Donahue知道西雅图的一些人把大桥的问题归咎于养护问题，但他认为这实际上是一个养护成功的例子。正是SDOT的维护和检查计划使我们能够在桥梁出现灾难性问题之前发现问题。

同时，他指出了ASCE的2021年美国基础设施报告中提到的基础设施维护总体上资金严重不足。Donahue 指出，“我们没有足够的钱来更换所有东西，但如果我们在正确的时间将维护和修复资金投入到正确的地方，就可以扩展这些基础设施资产的寿命。但如果我们不这样做，要付出的代价就是越来越多的桥梁将被关闭。”

由于最近通过的基础设施投资和就业法案，现在判断该项目或类似工作可能获得哪些资金还为时过早。

摄影：Chun Kwan

为了稳定西西雅图高桥并防止其进一步开裂，我们需要更换18号桥墩的横向支座。

在过去几年中，我们经常检查西西雅图大桥，直到最近才有迹象表明这座桥正常使用已经不安全。

自2020年3月23日关闭大桥以来，我们每天都在努力收集更多信息，以更好地了解从长远来看什么是可行的。包括每天进行面对面检查和安装新的远程监控系统，该系统将于下周开始向我们发送实时数据，并在5月初全面运行。

我们同时准备在18号桥墩上进行更换侧向支座，以进一步减缓开裂来确保公共安全。更换支座完成前将暂时搁置所有稳定和修复方案。在完成18号桥墩的工作后，计划在桥岸上设计和建造类似于脚手架的外部支撑结构。

桥梁的设计可以承受很大的压力。桥梁需要经受住天气事件、交通负荷以及混凝土和钢材的自然变化。像许多材料一样，混凝土和钢在高温下膨胀，在寒冷的温度下收缩。桥梁应对温缩应力的一个关键方法是在梁端安装伸缩缝。通过设置不同类型的伸缩缝，使桥梁活动更加灵活，在不同方式移动的部件之间创建缓冲区。该机制有助于隔离应力点，并使桥梁能够承受推拉结构的各种力。如果一个特定的关节被卡住了，这似乎放大了桥梁上的日常压力。

具体而言，问题在于18号桥墩支撑柱顶部的横向支座。这不是桥梁破裂的唯一原因，但桥梁专家认为这是问题的主要原因之一。

这座桥有四个主要的支撑桥墩，支撑着桥的三个最高桥跨——横跨杜瓦米什河的部分，在海港岛和西西雅图之间。18号桥墩是港口岛高桥跨度东侧的支撑结构。
 

这是西西雅图高桥的横截面，显示了支撑桥连接到桥梁结构的位置。为了帮助您确定方向，顶部的三角形图形是路面上的中线或道路分隔线。带有六个点的浅灰色区域是“箱形梁”，它们是形成桥梁结构骨架的空心管状结构。底部附近的厚厚的深灰色区域是支撑墩的顶部，也称为“柱帽（盖梁）”。字母 A 附近的紫色细线表示横向支座的位置。

在尺寸方面，侧向支座是桥梁的一个非常小的特征，但它们在允许桥梁在交通荷载、温度变化或地震事件而移动方面发挥着巨大作用。

横向支座是氯丁橡胶（一种合成橡胶）的矩形件，其作用类似于分隔桥梁各部分的橡胶垫。

支座控制桥梁的移动，在典型的早晨通勤中，当桥梁东行车道上的交通繁忙，西行车道上的交通量较轻时，支座会响应车辆重量的不均匀分布，并允许桥梁中的一些移动。

即使现在桥上没有任何交通，支座也会承受阵风和温度变化产生的移动，这些风和温度变化会导致混凝土膨胀和收缩。

18号桥墩上的横向支座目前在顶部和底部被压缩和凸起，将桥梁的两个关键部分锁定在一起，导致这两个部分不能正常移动。

当支座被压缩时，它们不能像设计的那样对重量或温度的典型变化做出反应。这限制了整个结构的运动，当桥上存在不均匀的力时，会产生张力点。这个问题可能导致桥梁中心的加速开裂。

我们的桥梁工程师正在努力确定“释放”支座的最佳方式，使其不再被压缩。

支座更换需要搭建一个临时平台，并加固桥梁的一些裂缝部分。然后，将使用专用设备对支座周围的混凝土进行精密拆除，放置新支座，浇筑新混凝土。

希望更换支座有助于稳定桥梁。如果是这样，那么修复桥梁可能是可行的。如果事实证明更换支座不会减缓桥梁的开裂，则意味着导致桥梁开裂的因素比仅由于支座引起的因素要复杂得多，并且桥梁结构可能会受到不可挽回的损害。

修理18号桥墩是稳定桥梁的第一步。

在18号桥墩工作完成后，计划对桥梁进一步修复，其中包括设计和建造类似于脚手架的外部支撑结构。

有些人问为什么这种稳定工作是必不可少的。

我们仍然不知道是否有可能完全修复这座桥。但无论如何，现在开始稳定裂缝发展进程是绝对必要的，因为什么都不做是不安全的，也是不负责任的。

我们每天学到更多的信息，如果发现它在技术上或财务上是可行的，就会重新评估修复方案。与此同时，我们需要加固桥梁，以确保它不会在自身重量下进一步破裂。

一方面桥梁工程师正在努力确定稳定和修复高桥的下一步措施，另一方面也在努力缓解交通，以帮助西西雅图的企业和居民，并密切监控和维护斯波坎街矮桥。