通向健康之路——美国金门大桥维养加固经验
唯一的答案
2024年08月30日 09:41:33
来自于桥梁工程
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来源:桥梁视界

  作为美国旧金山的地标性建筑,金门大桥如今由200名员工共同维护,齐心协力地完成重要的日常维护和道路安全运营。 金门大桥的健康状态能够持续保持的一个关键因素是,大桥从一开始设计时就非常谨慎。这是由于当时的工程科学局限性而无意中带来的好处。在建造这座大桥时,没有人能够预料到车辆数量会有如此大的增长,也没有人能够预料到现在使用的卡车会越来越重。在20世纪30年代(及之前),工程师在设计结构时通常会采用较高的安全系数,以确保其使用寿命,这也是为什么同一时期的许多其他大型结构,如澳大利亚悉尼海港大桥,也同样经久耐用的原因。

 


作为美国旧金山的地标性建筑,金门大桥如今由200名员工共同维护,齐心协力地完成重要的日常维护和道路安全运营。


金门大桥的健康状态能够持续保持的一个关键因素是,大桥从一开始设计时就非常谨慎。这是由于当时的工程科学局限性而无意中带来的好处。在建造这座大桥时,没有人能够预料到车辆数量会有如此大的增长,也没有人能够预料到现在使用的卡车会越来越重。在20世纪30年代(及之前),工程师在设计结构时通常会采用较高的安全系数,以确保其使用寿命,这也是为什么同一时期的许多其他大型结构,如澳大利亚悉尼海港大桥,也同样经久耐用的原因。


二战期间,技术取得了巨大进步,工程师们能够根据预期承载的荷载更精确地设计结构。安全系数降低了,工程师在设计时不必再那么保守。但这样做的结果是,许多在20世纪50年代、60年代和70年代设计和建造的精美结构,在交通量和重型卡车大幅增加的情况下,实际表现却不如早期的结构。金门大桥或悉尼海港大桥的安全系数要保守得多,工程设计也过于复杂,但却承受了设计者无法预料的荷载增长。


 

图1 金门大桥通车时(1937年)


不过,尽管年代久远,金门大桥的使用寿命却非常长,这也显示了其最初建造时的工程质量。大桥应对了交通量的巨大增长、更重的车辆、腐蚀性海水环境以及地震造成的巨大影响。然而,令维修工人引以为豪的是,大桥从未因维修而完全关闭过交通。虽然大桥曾因天气原因关闭过三次(最长的一次为三小时),但都是为了接待来访政要,以及50周年和75周年庆典。所有养护维修工程,包括大型改造,都是在交通持续不断的情况下分段进行的。相比之下,旧金山奥克兰海湾大桥在过去曾两次因新的大桥东跨施工而完全关闭。


持续地喷涂防护


关于桥梁的喷涂频率存在一些误解。有人说每七年一次,也有人说每年从头到尾。事实是,这座桥是连续涂漆的。喷涂桥梁是一个持续的任务,也是一项主要的维护工作。


 

图2 工人不断修补结构的油漆


金门大桥并不是永远从头到尾涂一遍漆。相反,喷涂人员会对桥梁的关键部件进行检查,并根据需要进行修补,以保护桥梁的钢铁部件免受空气中高含盐量的影响。大桥独特的“金色”实际上是国际橙色,灵感来自最初的底漆颜色。当然,也曾考虑过黑色、灰色和黄黑相间的条纹图案,但施工过程中看到的底漆橙色似乎与周围的景观完美融合,并突出了大桥的装饰艺术建筑风格。最初的含铅涂料在20世纪60年代被无机硅酸锌底漆和丙烯酸乳液面漆所取代。


 

图3 大桥桥塔


据年度财政报告显示,维护预算中最大的项目就是结构钢的喷漆。金门大桥暴露在含盐雾中的程度比湾区任何其他桥梁都更为严重。雾不仅会严重侵蚀漆膜,还会限制油漆作业时间。


有官方资料显示,大桥通车时,钢结构上的油漆状况非常糟糕,因此必须加快原有的涂漆计划。这种情况的出现是因为在最初估算运营成本时,人们没有彻底了解两个情况,即暴露的严重程度和在安装前对钢表面进行特殊处理的重要性。在金门大桥之后建造的钢结构上,钢表面在安装前已通过喷砂或清洁处理。未使用这些特殊处理方式则会大大增加维护成本。大桥建设推迟6个月也增加了这笔额外费用,因为在大桥通车时,主塔(占总吨位的 40% 以上)已经暴露了一年。在大桥完工之前,承包商和区政府发现有必要花费超过 13万美元用于桥塔和主跨的涂漆维护。


1937年12月,钢铁承包商完成工作后,区政府立即组织了一批油漆工,这些喷涂工在为承包商工作期间曾有过桥梁施工经验。油漆工从塔基开始,那里的铆钉头和表面已经锈蚀。钢材被彻底清洁,并在这些位置涂上漆。


大部分涂漆失效是由于铁锈松动引起的。铁锈在松动的铁屑下继续蔓延,导致表面大部分受到影响,因此需要去除大部分油漆并彻底清洁金属表面。经过尝试各种可用的清洁方法后,采用带有特制尖头的气动凿锤被认为是最经济有效的方法。在使用凿子将锈迹和铁屑去除后,会通过火焰干燥器对金属进行处理。火焰能够有效地将板之间和铆钉周围的水分蒸发掉,并且还能去除所有剩余的铁屑,留下一个温暖干燥的表面以接受底漆涂料。这个表面会被彻底清洁,并在仍然温暖和干燥时立即涂上底漆。


随着大桥上各种建筑项目和油漆项目的发生,当镀锌ASTM A-325 螺栓在 1970年代中期问世时,腐蚀的铆钉已被镀锌高强度螺栓取代。


安装高强度镀锌螺栓时,必须对它们进行一定量的预紧,以便将连接“夹”在一起,而不是“固定”在一起。使用预定的扭矩值可能会导致超过或低于所需的预紧力,具体取决于车削元件接触面的粗糙度。使用“螺母转弯”方法可以避免潜在的预紧过紧或过松问题,但它因螺栓的长度而异。因此,通常的做法是,工人在清洁条件下根据许多螺栓的特定长度确定“螺母转弯”的旋转和扭矩值。然后,他们通过“转动螺母”方法将其拧紧,并用扭矩扳手检查它,该扭矩扳手首先根据正在安装的特定螺栓批次进行校准。


多次抗震加固


除了经常性的维护,金门大桥还进行了多次重大的抗震加固和改造,以提高稳定性和通行能力。


第一次在1940年(建成后13年)美国塔可马(Tocoma)悬索桥经风毁后,金门大桥的桁梁底部随后也增设下风撑体系,增大梁体抗扭刚度,提高大桥的抗风动力稳定性。


第二次在1977年(建成后40年),更换悬索桥吊索系统,提高材质,增强强度。


第三次在1985年(建成后48年), 因桥上荷载不断增加,更换旧桥混凝土桥面为正交异性钢板桥面系,提高载重能力。


第四次在1987年旧金山大地震后,经检查大桥主要结构虽无严重损伤,业主仍决定重新进行抗震加固,并在上世纪90年代完成。加固功能的目标:一是如再遭受1906年型地震(M8.3级)袭击,桥梁必须保证在震后24小时后有限通车;二是桥梁必须在一个月内修复到交通正常运用状态;三是桥梁地震反映必须基本处于弹性状态;四是主索、鞍座、主塔、塔基都列出了加固部位与加固要求。


由于金门大桥位于1906年旧金山地震的圣安德烈断层东11.31公里处。设计地震力其目标响应谱具有1000~ 2000年再现期的最大地震为对象。加固的技术标准依据桥梁管理局规定的性能标准要求:地震发生后24小时以内紧急车辆可通行,一个月内修复到可使用的状态。


通过对大桥进行动力响应分析,在加劲桁梁与主塔间放置阻尼装置是桥梁加固的项目之一。使用黏性阻尼是为了不约束桥体的温度引起的收缩而吸收大容量的力与变位。阻尼器由油缸内部的活塞构成,黏性流体通过孔洞使力减小(衰减)。


阻尼器可使风阀与伸缩缝处必要的位移量发生根本性的减少,除去了加劲桁梁与主塔间产生的直接撞击。阻尼器可使加劲桁弦杆与主塔的应力、塔根部的剪力与上浮力减少,在加固设计时为了减少风阀内部的撞击,以增加容许位移量为目的,对风阀进行了修改。


由于当时的桥梁为抗震加固使用阻尼器几乎没有先例。因此,为取得制造抗震加固阻尼器的临时许可,在美国加利福尼亚大学伯克利分校进行了认定试验。美国、欧洲各有两家公司参加试验。试验内容包括:为验证阻尼器衰减力与速度的关系,进行了不同的速度、行程、周期与温度的反复试验。


在主塔的抗震加固中,为防止钢板的急剧压屈,对主塔的薄弱部位也进行了加固。而主塔支承在钢筋混凝土基础上,钢筋混凝土基础直接支承在基岩上。南岸主塔基础自身因体积大很稳定。地震时塔产生摇动,塔基部分产生严重的裂缝。通过PC粗钢筋对基础施加预应力。其加固效果可使基础的裂缝降低到1毫米。


为了便于边跨与主塔的连接,进行了风阀的抗震加固。包括将风阀自身的铆钉更换成高强度螺栓。


 

图4 大桥上的交通流量

 

图5 拉链车移动障碍物


自从1937年竣工以来,已经有160万辆机动车行驶过这条通往旧金山的桥梁,在经历数年的潮湿大雾和海洋盐水的侵蚀后,大桥的桥面行车道已经出现了恶化的情况。为此,又进行了大量的工程建设,将原来的混凝土桥面以更轻更坚实的正交异性钢桥面代替,并铺上环氧沥青。这项改造工程自1982年进行到1986年,改造后的大桥重量减轻了12300吨,目前桥重894500吨。此外,大桥的桥面行车道通过降低人行便道的宽度而从18.28米(60英尺)加宽到18.89米(62英尺)。


金门大桥公路和运输区(GGBHTD)创造了维护、升级和改进桥梁的创新方法,这些方法现已在世界各地使用。为这座桥发明了单向收费和可逆车道等交通管理创新,为新的交通时代铺平了道路。交通机构前瞻性的考虑建立更智能、更高效的系统,而不是简单地将自己建设成更大的容量。


作为美国旧金山的一个城市神话,金门大桥于2024年5月27日迎来了自己87岁的生日。在经历87年的风雨,遭受多次地震的洗礼后,大桥仍保持良好的健康状态,并继续在经济、交通、社区中发挥着关键作用。


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co1427080087198
2024年09月02日 10:47:57
3楼

针对桥梁和建筑使用全生命周期的维护和加固,有很多值得学习的东西,期待有更多类似的好文章

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加倍努力
2024年09月03日 08:38:18
4楼

学习了美国金门大桥维养加固经验,多谢了。

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wx_1676427117774
2024年09月04日 14:35:43
5楼

多多多多多多多多分享

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cof1661857692764
2024年09月13日 10:13:00
6楼

学到了

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