南加州的一座 “塑料” 橋

高強複合材料被廣泛用於航空領域，主要原因在於重量輕並抗腐蝕。上世紀八十年代後期至九十年代初期，加州交通局逐漸開始借鑒航空領域的成功經驗，應用高強複合材料於橋梁結構工程中，特別是橋梁抗震加固中。

 

典型的例子就是用高強複合材料的“布”，讓我們用通俗的稱呼：特殊的“尼龍布”，把橋梁的混泥土柱子一圈一圈的包起來，包的過程中采用類似環氧樹脂之類的粘合劑把各層的尼龍布緊密的粘在一起，這樣加固的柱子抗震性能就比原來的柱子提高很多。同樣的方法也被應用於混泥土梁的加固。這在我過去參於的橋梁工程項目中，上述兩種方法都被多次應用。

 

在加州交通局，我們的橋大多數是鋼筋混凝土橋，然後才是鋼/鐵橋。既然高強複合材料已被應用於單獨的橋梁結構構件中，那我們有沒有可能利用高強複合材料來建一座完整的橋，接通俗的說法，一座特殊的“塑料”橋。

 

為此，交通局委托UC San Diego 開展了一係列複合材料性能試驗，橋梁結構構件性能試驗，構件連接性能試驗，以及橋梁整體結構性能試驗等，最終，UCSD主持研究的著名教授提出了一套全新的“塑料”橋的設計及施工方案。

 

正好2000年初，交通局在南加州棕櫚泉附近要建兩座平行的橋，叫做Kings Stormwater Channel Bridge (L/R)，讓我們簡稱為左右國王橋。作為實體試驗，交通局決定左國王橋按UCSD 的方案建一座所謂的“塑料”橋，右國王橋按與左國王橋相同的尺寸建一座傳統的實心鋼筋混凝土板橋，通過相比較兩橋運行以後的表現，來驗證塑料橋的可行性，為以後進一步的推進打下基礎。

 

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圖一是塑料橋的立麵圖和截麵圖，可以看出這是一座兩跨橋，每跨33 呎長，總長66呎，總寬42.5呎。有6根圓形的梁支撐著橋麵板，特點就在於橋麵板和圓形的梁。圖二是已完成準備運到工地去的橋麵板，它是內空（網格狀）的 “塑料” 橋麵板。同樣，圓形的梁也是由筒狀的塑料管填充有輕質混凝土而成。圖一還有UCSD 推薦的麵板與梁的連接細節和麵板與護欄的連接細節。應該說如果按照今天的設計標準，麵板與護欄的連接估計不能通過全尺寸的卡車衝撞試驗（Crash Test)。

 

 

塑料橋的優點在於施工方便快捷。首先各種構件可以在工廠預製，然後由於重量輕可以容易地運到橋梁工地，最後也是由於重量輕可以方便的吊裝並組合成橋。同時別忘了，塑料橋拒腐蝕永不鏽！

 

正是由於上述優點，左國王橋的施工比右國王橋的施工快多了。右國王橋是現澆混凝土橋，混凝土的澆築與養護既費工又費時，這是眾所周知的。

 

2000年年底，兩橋順利完成施工並投入運行。剛開始幾年，運行基本正常。但大約五年後，發現塑料橋橋麵半吋厚的特殊塗層出現裂縫，甚至一塊塊脫落。由於車輪與橋麵接觸必須要有足夠的摩擦力，而純塑料麵板不能提供這樣的摩擦力，因此在塑料橋麵板表麵加了半吋厚的特殊塗層，以增加與車輪的摩擦力。

 

塗層與塑料麵板之間的粘合性是在實驗室通過實驗驗證過的，那為什麽在真實的橋梁運行中這一塗層會開裂並脫落呢？進一步監測橋麵的豎向變形，發現小車通過時，橋麵向下變形小於允許的0.5吋，而每當重型卡車通過時，變形超過1吋，甚至監測到有的大卡車引起2 吋豎向變形。初步原因分析，大概是橋麵板變形過大，加之重型卡車引起的劇烈振動（麵板太輕），使塗層與塑料麵板之間的粘合性減弱甚至完全喪失，然後形成裂縫並脫落。

 

 

為了維持橋梁的正常運行，交通局橋梁維修部門不斷地在橋麵上東補一塊，西補一塊，像圖三所示，但這畢竟不是長久之計。繼續補了幾年，進一步發現空心網格狀的橋麵板表層塑料板斷裂並形成空腔，如圖四所示。如果多處表層塑料板本身發生斷裂，整個橋麵板將失去要求的剛度，橋麵豎向變形將進一步加劇，而更大的豎向變成意味著更多的表層塑料板斷裂，這樣更大-更多，更大-更多……，然後就沒有然後了。

 

 

時間來到2014年初，交通局有關專家聚到橋梁現場，根據實地的橋麵情況和橋豎向變形情況，最終建議把過橋的兩車道立即減少到一車道，然後盡快替換這座塑料橋。

 

根據專家建議，大領導馬上發出緊急換橋通知，我的小領導指示我這救火小隊長：立即停下手中其它工作，迅速給出一個換橋方案。

 

交通局的緊急橋梁工程項目，一般都是由局裏橋梁施工部門牽頭組織，施工部門直接尋找合適的私人施工單位，並直接指揮我們設計部門提出方案和施工圖紙，這樣快速對接少了許多中間環節，特別適合於“緊急”情況。

 

在同局裏的施工部門和私人施工單位反複溝通之後，我們提出改兩跨橋為一跨橋，直接用 66 呎長的預製空心混泥土橋麵板來替換原來的塑料麵板和塑料梁。考慮到在施工時還必須保證有一車道可以通車，我們釆用了兩階段的換橋方案。

 

 

圖五是我們新的橋麵板的截麵圖，共有14 塊3 呎寬 66 呎長的麵板，通過橫向後張拉將14 塊板連成整體。

 

 

圖六顯示了拆除老橋的塑料麵板和塑料梁，這種橋組裝起來容易，拆起來也不費勁，施工單位很喜歡。

 

 

圖七顯示了吊裝新的混泥土預製板，顯然新橋板的重量比老橋板重多了，但相比較大型橋梁的預製混泥土梁而言，這種吊裝僅是小菜一碟。

 

 

從圖八中可以看出，一期施工已完成，卡車正通過已替換的一半橋，第二期對另一半橋的施工正在進行中。

 

 

圖九是工人們正在對新橋麵板進行最後的橫向張拉，以保證14 塊麵板能形成一個整體。

 

總之，整個換橋工程僅曆時四周，一切按計劃安全，順利完成。在此為換橋施工單位點個讚！

 

回頭再來比較左右兩橋。右橋按傳統方式建造，根據交通局以往的記錄，這橋至少能正常運行70 年。原期望由新材料建造的“塑料”左橋也能正常運行70年，結果不到7年就開始帶病運行，不到15年就已經病得不行了，隻好拆除重建，很是遺憾。

 

在最後我想再說幾句關於這座“塑料”橋，或許這些話我不應當說：當初建橋時作為新事物有相當廣泛的研究和不少報道，遺憾的是我至今沒有找到關於這座塑料橋運行中出現的各種問題及其相關原因的總結報告。是的，老橋已經從大地上抹去了，但並不能抹去人們記憶中對有點弱不禁風的老橋的記憶。失敗是成功的媽媽，我們找到這座橋的媽媽了嗎？由於其獨特的優勢，先進的複合材料必將會越來越多地應用到交通工程中。為今後繼續找“塑料”橋的第二個，第三個，第N個媽媽，我們是不是應該弄清楚這第一個媽媽到底長得怎麽樣？或許有關部門已經找到了這第一個媽媽，僅是我沒有搜尋到而已。希望如此。也希望加州交通局不要因這第一座有問題的老橋而停止為“塑料”橋繼續找媽媽。