注：2024年IABSE年会在哥斯达黎加首都圣何塞举行，本年度主题为：Beyond Structural Engineering in a Changing World。报告集里有几篇关于桥梁改造的文章，为顺应新形势下“城市更新”的需求，本人将陆续译出，以供交流（版权仍属原作者）。
摘要：“Centenario”大桥是西班牙塞维利亚交通的重要基础设施。该项目旨在用最先进的技术更换大桥的88根斜拉索，这些斜拉索在运行30年后出现了劣化迹象。通过横向加宽桥塔和在现有桥面下加入钢结构将荷载转移到新拉索上，将新的斜拉索安装在现状桥面外侧。钢结构由一系列横向钢肋组成，这些横向钢肋位于现状斜拉索锚固段的桥面下方。现有桥面的纵向混凝土箱梁支承在这些肋上，然后传递给锚固在这些肋两端的新的拉索上。格栅将拉索的水平分力从新拉索锚固的钢肋传递到旧的混凝土桥面上。此外，这种配置允许增加一条额外的车道。
关键词：拓宽，更换，斜拉桥，拉索劣化，拉索替换
1 简介
Centenario大桥是基础设施的重要组成部分，使SE-30环路能够穿越塞维利亚的阿方索十三世运河。它连接着塞维利亚河港和瓜达尔基维尔河，是从加的斯湾河口开始的最南端路线的重要组成部分，距离约80公里。
这座桥的日交通量约为10万辆，垂直净空约为46米，采用斜拉桥设计，主跨达256米，是西班牙塞维利亚的标志性地标和交通管理的重要资产（图1）。
图1 现状桥梁照片
最近的检测显示桥梁的拉索已经达到了使用寿命。考虑到这些发现和类似桥梁技术的经验，建议更换拉索以避免潜在的不可预见的事故。
此外，Centenario大桥长期以来一直是SE-30的一处瓶颈，特别是在其斜拉段，该桥从6车道变窄到5车道。这种变化，再加上大纵坡的入口匝道和高比例的重型车辆，经常导致该地区SE-30沿线的交通拥堵和事故（图2）。
图2 斜拉桥区段的交通瓶颈
已确定的结构和功能的不适应表明有必要立即采取行动，将SE-30部分恢复到适合在短期和中期内的战略基础设施项目的标准。
为了应对这些挑战，考虑到无数因素，对各种替代方案进行了彻底分析。出现了两组主要的替代方案：
方案一：在现有桥面的现有位置进行拉索替换；
方案二：在桥面外侧锚固进行拉索替换。
值得注意的是，虽然Centenario大桥的斜拉段长度仅为565米左右，但对该地区的任何干扰都会影响4.5公里的环路，从A-4加的斯高速公路的交叉口延伸到通往港口的西部入口。像塞维利亚这样的大都市环路的如此重要的一段中断，将不可避免地会影响整个城市及其郊区的交通管理和流动性。
因此，在评估替代方案时，一个关键的考虑因素是它们对交通流的影响，通过受影响的车道数量和任何中断的持续时间来进行量化。
2 设计的基本前提
指导方案实施的核心原则如下：
-消除桥梁老化拉索带来的风险以确保用户的安全；
-鉴于桥梁的战略重要性和高交通流量，拉索更换时要使交通干扰最小化；
-通过优先考虑能够处理各种情况（如拉索断裂）的稳健解决方案来降低施工风险。
-在预算限制内遵守质量标准的同时，保持经济可行性。
-符合塞维利亚港口及其物流和工业活动的需求。
-保护Centenario 桥的标志性形象，尊重其建筑完整性和美学吸引力。
-提高SE-30在斜拉段的承载能力，以满足未来的需求，尽管这不是干预的主要焦点。
3 现状结构
Centenario桥由两条高架桥和中间斜拉段组成，横跨瓜达尔基维尔河。这座桥建于1989年至1991年之间，是塞维利亚为1992年世博会建设的基础设施的重要组成部分。
当前进行拉索更换的斜拉区段由P12号墩至P17号墩之间的五跨组成，跨长分别为：47.978m+101.954m+264.880m+101.954m+47.978m。该区段的总长度为564.744m（图3）。
图3 现有桥梁立面图
结构上开看，桥面为双边箱主梁，梁高2.5m，无缝贯穿斜拉部分。横梁的间距为12.00m，与桥面上的索梁锚固点对齐。在这些横梁的顶部支撑着5片预制的T梁，T梁高度为0.82m。0.20m厚的顶板与侧箱梁的上表面齐平，使桥面总宽22.00m（图4）。
图4 现状桥梁的横断面图
桥面支承于两个边墩P12和P17号墩（图5），以及两个辅助墩P13和P16号墩，在主塔（P14和P15墩）横梁上越过而不设支撑（图6）。
图5 边墩立面图
图6 主塔立面图
斜拉系统由每个主塔上的22对拉索组成，共88根拉索，以经典的扇形配置排列。斜拉索在主梁上设为锚固端，在主塔上为张拉端。
使用注入水泥浆的预应力钢筋束建造，每根拉索的钢筋束数量各不相同，根据拉索的倾斜度从32根到78根不等。
斜拉段的P12、P13、P16和P17号桥墩采用混凝土门式设计，具有两个竖向桥墩和一个变高度的上横梁，每个墩柱由四个深基础桩支撑。
主塔P14和P15由门式框架组成，每个门式框架有两个竖向塔柱、桥面下方的中横梁和混合的上横梁组成。对于14号桥塔，每根塔柱使用5个混凝土深桩基作为基础，对于15号桥塔，则使用7个混凝土深桩基建立塔柱基础。桥面高出桥墩基础约40米，而主塔的总高度约为104米。
4、方案研究
目前存在各种更换桥梁拉索的策略，交通影响和施工安全是首要考虑因素。对这些方面以及与拉索更换相关的其他相关问题进行了分析。
研究了两个主要的替代方案：
在第一个替代方案中，拉索的更换将逐根进行，不改变拉索在主梁和主塔上的锚固位置。第一种方案需要一个临时的拉索系统。
第二个替代方案中，新的拉索将安装在现有桥面横断面意外，这样就将原来拉索锚固的空间释放出来给交通，可以增加一个额外的车道。
这项研究的结果表明，仅仅更换拉索并保持其当前位置，就会对SE-30造成不可接受的交通瓶颈和重大的施工风险。最终所选的程序包括安装新的拉索系统，允许在桥面完全由新拉索支撑的同时更换现有拉索。因此，可以安全地执行现有拉索的拆卸和移除，新的支撑系统能够承受在此过程中可能发生的任何事故。
此外，拟定的系统允许在暂时只占用一条车道的情况下进行所有必要的操作，从而最大限度地减少对SE-30交通的干扰。
计划的更换程序基于以下的主要原则：
-确保荷载从原体系安全转换到新的体系，甚至在断索的工况下；
-最大化利用现有结构以保证成本效益；
-施工期限制对现有桥面的临时占用最多为一条车道；
-保证将来桥梁进一步拓宽的兼容性；
-尽可能保持原有型式以维持桥梁的外观。
5、概念性解决方案
所选的解决方案最大限度地减少了拉索系统翻修期间的道路占用。该计划涉及用一套延伸到现有桥面外部的新拉索来替换原来的拉索。此外，这种新的拉索设置可以释放桥面上的空间（图8），可能会重新配置斜拉段的道路，以匹配高架桥的六车道配置，从而缓解目前将车道减少到五车道的瓶颈。
为了实现这些概念，将采取以下行动：
-塔柱的横向延伸，以在同一垂直面内容纳新拉索。这种横向延伸将保持在最低限度，以确保原始桥梁的外观和美学得以保持，因为它代表着一项重大的工程成就，也是塞维利亚市的象征。
-在现有桥面下方安装辅助金属结构，以锚固新的外部拉索。
如前所述，保护大桥的标志性外观是这一初步项目的主要目标。Centenario大桥具有深远的象征意义，是横跨瓜达尔基维尔河的首座和唯一的建筑，具有相当大的垂直净空，可以航行到上游的塞维利亚河港（图10）。
图10 主塔加宽的研究
它的建造标志着1992年这座城市的一个关键时刻。如今，Centenario 大桥已成为一座引人注目的地标性建筑，其概念清晰、线条流畅，体现了其创作者对塞维利亚的尊重。它的设计不仅带来了巨大的技术挑战，采用了巨大规模的预制桥面，而且大胆地融合了混凝土和钢材这两种典型的结构材料，实现了韧性和美学的和谐融合，这仍然是结构工程的标志。
鉴于这座桥的重要性和它所引起的尊重，这个项目不仅被视为最高级别的技术努力，而且被视为一个设计挑战，在结构完整性、施工可行性和功能要求与尊重现有桥梁的设计精神之间取得平衡。
从设计角度来看，所提出的解决方案必须通过仅使用两个拉索平面来保持桥梁的本质。引入额外的拉索平面可能会带来视觉混乱的风险，损害桥梁固有的优雅（图11至13）
图11 现状
图12 第一阶段加宽后
图13 第二阶段加宽后
新的拉索平面被整合到位于桥面外部的塔柱的拟议横向延伸中。这种设计允许拆除现有的人行道，有效地将其纳入道路，从而可在斜拉段增加第六条车道。
为了支撑现有的桥面，设计了一个1.50米高的坚固的钢横梁系统，将垂直荷载从两个箱梁转移到新的拉索平面。
现有桥梁的一个显著特点是其预制桥面，其特点是纵向箱梁节段之间的接缝。确保这些接缝处的压缩对于保持桥面的整体完整性至关重要。随着拉索的锚固点相对于现有梁移动到外部位置，设计了一种复杂的系统来维持接头处的必要压缩。这涉及一个水平桁架机构，该机构有效地将该力传递到现有的桥面板。
塔架的横向延伸，再加上与现有塔柱的详细连接，确保了桥梁整体美学连贯性的保持。
该方案不仅有助于在后续阶段实现桥面的横向扩展，而且不会显著增加仅侧重于拉索更换的第一阶段的成本。这种前瞻性的方法确保了功能和美学的连续性，同时也适应了未来潜在的扩建要求。
6、方案的描述
6.1 桥面
在现有桥面下方，与横向支撑对齐，设置了42个钢横梁。每片横梁长33.8米，宽1.5米，最小高度为1.5米（图14)。
图14 横梁断面
在这些钢横梁的末端是新拉索的锚固点，间距为32.1米。目前的桥面由新的横梁通过其横向箱梁内的多向球面轴承装置支撑。
通过包括外部对角线平面和内部横向直柱的钢结构格栅，将拉索的纵向分量传输到当前桥面两侧的箱梁（图15）。
图15 格栅系统
钢横梁以3或4个支柱为一组，由相应的横向钢梁连接，以防止由于温度和流变效应引起的张力变化和结构复杂化。这种安排还解决了潜在的电缆断裂情况。
在安装新拉索并拆除现有拉索后，目前21.4米宽的桥面将配备两个0.7米宽的横向护栏、两个0.5米宽的路肩、每个方向三个3.0米的车道、两个0.15米宽的中央路肩和一个0.7米宽的中央护栏。
完成桥面额外宽度的是两条1.5米宽的维护人行道和两条4.7米宽的侧向区域。边跨区域每隔90m规划了紧急停车带，而主跨中心则设置了长度为30米的保护和运营停车带。
采用2.25米宽、4.20米长、0.40米厚隔板的“C”型混凝土截面对桩身进行横向放大。
采用2.0m高，3.4m宽的预应力系梁在基础标高处连接放大的桩身。
修改桥面的支撑和防升降系统，用更耐用、更便于维护的布置取代现有系统。
桥台桩的所有结构构件的设计都是为了适应未来潜在的桥梁扩建，即在塔柱外侧布置两个新的桥面（第2阶段）。
6.2 主塔
塔柱的横向扩大是为了在一个垂直平面内容纳新的拉索。这次扩建规模很小，保留了这座桥的原始外观和美学，因为老桥是一项重大的工程壮举，也是塞维利亚的象征。
塔柱的横向扩大是通过使用5.6米长、1.7米宽的钢箱实现的，这些钢箱通过螺柱和焊接连接到现有的塔柱上。加宽的下部是一个组合构件（混凝土-钢）（图16），但在上部，加宽的是一个钢箱结构。
图16 加宽主塔立面及与基础连接处的断面图
扩大部分与塔柱的连接包括将箱体与当前塔柱的外部金属板焊接，并在横梁位置安装两个连接隔板。
通过两个中间隔板确保扩大段和当前塔柱之间的纵向力传递，扩大段的下部锚固由预应力基础支撑。
主塔的所有结构构件的设计也考虑了适应未来潜在的桥梁扩建需求，即在塔柱外侧布置两个新的桥面（第2阶段）。
7、施工系统
本文的主要目的不是描述这个项目的施工过程的各个阶段，正如读者所想象的那样，这无疑是复杂的。尽管如此，重要的是要强调，设想的施工方法首先要用新的一套拉索牢牢固定桥面，然后再开始系统地拆除现有的拉索，直到完全拆除。
其中一个关键方面是当前拉索的状况。因此，必须仔细执行新拉索和支撑现有桥面的垂直钢结构的安装，以防止对现有拉索造成过度应力。这一预防措施在塑造施工过程中至关重要，包括桥面钢结构的安装和新拉索的张紧。
8、当前状态
在起草本文时，正在进行的桥面加宽和拉索更换项目取得了重大进展。实施阶段正在进行中，并且已经实现了几个关键里程碑。
首先，边墩的扩建已成功完成，标志着向容纳加宽的桥面迈出了关键的一步（图17）。
图17 边墩加宽
此外，还对土壤进行了加固，增强了桥梁的基础抵抗力。这些加固工作对于承受由于桥面加宽（包括第1阶段和第2阶段）而产生的附加力是至关重要的。
此外，已经加大了现有承台，以确保通过加宽现有桩基来传递力（图18）。
图18 承台加宽
另外，目前正在进行塔柱基础横向扩建的施工。这些扩建是为了适应升级的斜拉系统，并确保最佳的结构线形和性能（图19）
图19 塔柱拼宽
9 结论
可以相信，该设计有效地满足了结构、安全、功能、经济和美学要求。
首先，该解决方案能够完全更换拉索。拟用的新拉索采用现代技术设计，具有三重防腐功能，取代了已达到使用寿命的现有拉索。
拟议的更换系统允许松张现有拉索，同时用新的拉索系统完全支撑桥梁，确保拉索更换操作期间的最大安全性。
此外，计划中的施工过程最大限度地减少了对现有交通的干扰，只临时占用了一条车道，并提供了一个替代系统来分流部分桥梁交通。
此外，从功能的角度来看，更换拉索也有助于在斜拉段增加一条额外的车道，使瓜达尔基维尔河的整个穿越工程能够在每个方向上都有三条车道。
关于资源优化，该方案有效利用了当前的结构，通过最大限度地利用现有资源，代表了最具成本效益的解决方案。
最后，很明显，该方案在尊重其形式和美学价值的同时，保持了桥梁的整体形象。
