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2 美国桥梁工程
目录
2.2.3铁路桥梁：美国铁路工程和公路维护协会( AREMA )规范的发展 11
2.3.6 华盛顿支路：帕米利科-塔尔河上的US17公路 16
2.1概述
2.2.1地域特征
美国位于北美洲中部，东、西两岸濒临大西洋和太平洋东，北邻加拿大，南与墨西哥接壤。阿拉斯加州位于北美大陆西北部，东邻加拿大，西以白令海峡与俄罗斯相望。夏威夷州是太平洋中部的一个群岛。
美国占地379万平方英里（983万平方千米），人口超3.08亿，在总面积和人口上都是世界第三大的国家。由于许多国家的大规模移民，它成为世界上最具民族多样性和文化多元性的国家之一。美国是世界上最大的经济体，预计2010年的GDP约为14.799万亿美元。
2.1.2发展历史
美国桥梁的演变历史与世界其他地区没有太大的区别。几个世纪以来，美国的架桥理念借鉴了其他国家的文明。由原木、绳索或石头建造的原始桥梁，已被索承式桥梁和拱桥等现代梁桥取代。
2.1.2.1美国早期的桥梁
最早的道路就是土、石径或小径，用马车或骡子运送货物和人员。这种运输方式效率普遍偏低，土路在干旱的气候下可能发生扬尘、在潮湿天气出现泥泞，这些都给交通运输增加了难度。
经济上贸易越来越重要，远距离运输的需求不断增加。18世纪后期，来自德国的移民在宾夕法尼亚州制造了美国第一辆货车“康涅斯托加货车”。这辆货车能够拖运6吨的货物，并且经过专门的设计，能在崎岖的土路上行驶( 唐利2005 )。在康涅斯托加货车诞生后不久，费城和兰卡斯特·特纳皮克建成了全美第一条碎石道路( HSP 1908 )。
美国最早的桥梁采用放置原木跨越障碍的形式。在穿越沼泽或位于低洼地区的道路上，原木并排放置并垂直于行车方向。这种木排路要消耗大量的木材且路面不平整。此外通过放置大块石或平行于行驶方向的原木跨越狭窄的航道或山谷。美国早期的桥梁中还有很多从古罗马借鉴来的拱桥。其中石拱桥很常见，例如修建于1697年的弗兰克福大道桥是全美最古老的石拱桥( 图2.1 ) ( ASCE 1977 )。
从19世纪初开始，人们引入桁架桥作为大跨桥梁的形式。由于木材原料丰富并且对工人的要求不高，当时的桁架桥大多是用木材建造的。尽管这一时期的陆上运输取得了一定的发展，但是河流运输和海洋运输仍是更容易、更经济的方式。由于水上运输仅限于沿海城市或通航河流附近的城市，所以大部分聚落都分布在这些地区。
2.1.2.2运河时代
到18世纪末，美国的运河建设者向欧洲同行吸取经验。荷兰、法国和英国建设的运河系统，让美国有了要创造一个水通社会的新愿景( Shaw1990 )。这种新的运河网络能使美国从东部沿海向内陆发展。
18世纪末和19世纪初的运河建设者就是美国最早的桥梁建设者。不仅可以在新建运河上架设桥梁满足交通需求，还可以用桥梁使运河跨越其他河道或道路，即所谓的渡槽。这些渡槽都是借鉴罗马常见的石拱修建而成。图2.2是纽约亨特堡的斯科哈里溪上方伊利运河的斯科哈里溪渡槽。
2.1.2.3 铁路时代
随着1830年美国引进第一台蒸汽机车，铁路行业开始蓬勃发展。不到40年就建成了第一条横贯大陆的铁路，它连接太平洋沿岸和美国东部已建的铁路网。铁路很快成为客运和货运的主导交通方式。废弃所有小型曳船道，货车运输由此进入长达50年的忽视期。桥梁建设在这个时期蓬勃发展起来。不仅要在新建的数千里长的轨道上修建桥梁，而且由于机车爬坡性能低，需要在最轻微的斜坡上修建桥梁。
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图2.1 宾夕法尼亚州费城的弗兰克福大道桥 |
图2.2 纽约亨特堡斯科哈里溪渡槽 |
2.1.2.3.1桁架
这一时期优先采用桁架形式，桁架桥梁能够在节省材料、减轻自重的同时保证结构的强度，所以这种桥型十分普遍。这一期间，熟铁成为可选的建筑材料，但很快被低碳钢所取代。许多工程师抓住这个机会发表了对角线和垂直线构型的桁架专利。在铁路时代发展起来的某些桁架形式今天仍在使用，例如：Warren、Pratt、Howe。
美国桥梁公司、凤凰铁厂、熟铁桥公司等桥梁制造商开始生产样品桥。这些桥梁由预制的熟铁构件或钢构件组成，而构件则是根据常用的跨径设计的。从样品中选择桥梁，交付给施工现场，桥段架立在相应的桥台上。图2.3所示为1878年俄亥俄州熟铁桥公司建在印第安纳州奥罗拉附近的劳克里溪大桥。
2.1.2.3.2栈桥
这一时期铁路大规模扩建加上栈桥快速施工的优点，让栈桥成为了理想的结构型式。栈桥主要由木材
建造，并且是临时性的，除非要求建造永久性结构。许多栈桥被填土覆盖，形成路堤，当木材腐烂后会路堤还会保留很久。图2.4展示了加利福尼亚州锡耶拉斯的秘镇栈桥，该桥建于1865，被填土掩埋。
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图2.3 劳克里溪大桥 |
图2.4 秘镇栈桥 |
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图2.5 1916年林肯公路路线 |
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2.1.2.4 汽车时代
二十世纪初前后，汽车的大批量生产迎来了汽车时代。大规模的道路改良始于1913年林肯公路的修建(图2.5)，林肯公路是第一条横贯美国的汽车公路(弗里德尔2010)。
1919年，在陆军中校德怀特·艾森豪威尔的支持下，第一支大陆汽车车队在全国成立。年轻的艾森豪威尔认为不安全的桥梁、泥泞、灰尘、狭窄且不平整的道路给人们留下了深刻的印象，提出要重视改善国家的公路系统(ASCE 2002)。
大约在汽车时代开始的同时，钢筋混凝土的概念进入人们的视野。1906年旧金山大地震后钢筋混凝土建筑材料的优点得到充分的体系，当时为数不多的钢筋混凝土建筑是仅有的幸存结构。从那之后，钢筋混凝土在桥梁和建筑中得到了广泛的应用。
2.1.2.4.1钢桁架桥
钢桁架桥一直很普遍，大跨度桥梁需要采用连续桁架。连续桁架桥的桁架高度比简支梁的低，因而更经济。1935年路易斯安那州新奥尔良以西的休伊P.长桥通车。图2.6是该桥加宽完成后的拟建结构，目前正在建设中。
2.1.2.4.2混凝土拱
钢筋混凝土是现代材料，而拱是一种早在罗马时期就被人们所采用的结构形式。混凝土的抗压强度使其成为拱的理想材料，而且比石材或砌体更容易施工。图2.7所示的哥伦比亚-威廉维尔大桥于1930年开通，它横跨哥伦比亚和宾夕法尼亚州威廉维尔之间的苏斯奎汉纳河。哥伦比亚-威廉维尔大桥位于原林肯公路路线上。
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图2.6 休伊P.长桥加宽完成后的拟建结构 |
图2.7 哥伦比亚-威廉维尔大桥 |
2.1.2.4.3悬索桥
虽然悬索桥基于世界上最古老的概念之一而建，但它仍然是这个时代的倍受青睐的桥型。因为悬索桥可以不用脚手架施工，所以是峡谷或宽河道等通行受到限制或甚至不可能通行的地区的实用桥型。旧金山—奥克兰湾大桥西跨(见2.8.3节)实际上是两座悬索桥首尾连接而成，两桥中间设有中央锚固。1936年通车时，该桥是世界上唯一一座双悬索桥。
2.1.2.5州际公路时期
艾森豪威尔在第一支横贯大陆的汽车车队的经历以及他在二战期间对德国高速公路的赞赏让他对美国州际公路网产生了兴趣，这最终促成了1956年的《联邦援助公路法》的发布以及我们今天所熟知的州际系统的开端。(图2.8 )
这一时期，桥梁工程师在旱地、山脊、公路等地建桥。工程师们开始采用预应力混凝土和组合钢桥的形式以充分利用钢材的抗拉强度和混凝土的抗压强度。
2.1.2.5.1预应力混凝土
预应力混凝土充分利用了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能。预应力可以降低结构高度，并大大减少州际公路隔离的土方工程量。预应力混凝土可采用先张法或后张法、预制的或现浇的。由于混凝土箱梁抗扭能力强，车轮荷载分布优良，是一种常用的预应力结构。
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图2.8 1955.9拟议国家州际和国防公路系统计划 |
图2.9佛罗里达迈阿密立交桥预制混凝土节段箱梁节段 |
2.1.2.5.2组合钢
组合钢梁是在钢梁翼缘上用机械连接件连接混凝土桥面板，充分利用了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能。
2.1.2.6新千禧年时期
随着新千禧年的来临，桥梁工程师和桥梁业主的工作重心正从新建结构转移到维护现有结构。经常改建现有桥梁，以满足当今汽车荷载的需求。因为采用预制构件加快桥梁施工，可以提高安全水平并最大程度地降低施工对交通及环境的影响，这使得它成为一种备受欢迎的施工方法。预制混凝土梁、预制节段混凝土箱梁、预制混凝土桥面板在当今的桥梁施工中得到了广泛的应用。
2.1.2.6.1节段桥梁
节段混凝土梁桥通过采用后张法张拉混凝土箱梁节段内的预应力筋而成。混凝土节段可以是预制的，也可以是现浇的，预制节段可以加快桥梁施工，而成为倍受青睐的施工方法(图2.9 )。将在2.3.4节讨论加利福尼亚松谷溪混凝土节段桥。
2.2实际设计
2.2.1概述
桥梁工程的历史几乎和人类一样悠久。由于需要跨越障碍，桥梁经过了从原木和树木到
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