特雷瓦雷瓦桥位于世界边缘新西兰的塔拉纳基（Taranaki），其独特的桥梁设计赢得了亚瑟·G·海登奖章，并成为其所在社区的象征。本文剖析了桥梁设计师的思维过程，作为一个例子来展示桥梁结构元素如何与桥梁环境相结合。
历史文化的延展
2007年10月，新普利茅斯区议会（NPDC）启动了Waiwhakaiho 河跨越工程一次性总承包合同的招投标。该工程是为了延长现有的热门滨海步道，同时取代新普利茅斯到贝尔街区郊区这段公路道路的行人和自行车道，避免发生交通拥挤。
图1 以塔拉纳基山为背景的特雷瓦雷瓦桥
本次招投标要求建造一座既美观又实用的标志性桥梁，需要将景观与古代遗址的社会、文化遗产融为一体。既要求建造一座跨越Waiwhakaiho河达到特雷瓦雷瓦（Te Rewa Rewa）一侧的桥梁，结构造型赏心悦目，同时也要表现出对埋葬在周围的Ngati Tawhirikura后裔的尊重。
桥址位于河口上游300m处，桥宽3m，栏杆高1.2m。桥梁跨径70m，桥下河流正常流量下约有50m宽。桥面下缘至少高于正常河水面4.5m，这意味着桥梁建造过程中需要清除河流周围洪泛平原2m左右宽度。
桥梁按照《新西兰桥梁运输手册》中的荷载要求设计，同时要求紧急情况下可允许临时通行一辆3.5t重的救护车。
2007年10月至2008年1月期间，特雷瓦雷瓦桥的初步设计启动，设计组决定桥面方向应与远方的塔拉纳基山顶对齐。塔拉纳基山高2518m，可俯瞰整个塔拉纳基景观。
图2 特雷瓦雷瓦桥面方向正对远方塔拉纳基山顶
特雷瓦雷瓦桥的设计是一个经典案例，从结构形式、施工方法以及景观等方面进行了概念设计。
在结构形式概念设计阶段，由于特雷瓦雷瓦桥要求70m的跨径和高于正常水位4.5m的桥面高度，同时要兼顾合同预算，采用了单拱结构形式，这使得桥梁的钢材用量和成本达到最低。
施工方法的概念设计阶段是结构形式概念设计的细化，在距离特雷瓦雷瓦桥1.5km处有一个钢结构加工厂，拱形结构钢管可在工厂预制后整体运输至施工现场。这降低了结构的成本，同时由于所有焊接和涂装工作均在工厂中完成，在现场施工仅需要用螺栓将栏杆和桥面连接起来，保证了项目的施工质量。同时地勘报告显示，桥址处为承载能力良好的火山岩，因此桥台采用重力式混凝土结构。
图3 特雷瓦雷瓦桥上部结构的整体运输
（运输结构全长约85m，重85t）
景观概念设计是这座桥的亮点所在，也是业主和设计师努力展现给世人的重点。建成后作为特雷瓦雷瓦地区的标志性桥梁，其将参观者带入更深层次的历史和现实中。特雷瓦雷瓦桥是通往Te Ati Awa iwi(当地主要部落)和 Ngati tawhrikura hapu(当地小部落)圣地的公共通道，这两个部落的后裔曾在火枪战争(1820-1830)和塔拉纳基战争(1860-1863)期间遭到屠杀并埋葬于此，后来此地被政府不公正地没收，并在20世纪大部分时间里作为步枪靶场使用，直到iwi族人与新普利茅斯区议会和解后由双方共同管理。这座桥的设计灵感来自新西兰诗人詹姆斯·K·巴克斯特的诗歌对灵魂的隐喻，因此设计了一系列弯曲的侧向支撑模拟肋骨，并将桥面板和主拱不对称的连接起来，主拱的轴线从桥面方向看去形成一个门户，作为死者灵魂进入和离开圣地的通道。
拱结构的复杂设计与预制安装
考虑70m的跨径要求，设计组在初步设计阶段采用拱形结构和斜拉桥结构。一个70m跨径的斜拉桥结构将导致钢材重量估计为0.45t/m2，而拱桥大约只需要0.35t/m2。与拱桥相比，所需额外的钢材重量和因此增加的成本是排除斜拉桥方案的第一个原因。此外，本桥址处位于盛行西风带，塔斯曼海方向常年有强烈的西风。强风会对斜拉桥这种缆索结构产生明显的激励作用，因此根据英国标准BS5400-2: 2006附录B中规定，放弃采用斜拉桥方案。
出于对圣地逝者的尊重，业主要求桥梁结构应尽可能地“轻触”河岸侧。同时，桥梁横跨两岸一侧是Pākehā(欧洲后裔)，而另一侧是Māoriside（原始部落），斜拉桥高耸的桥塔可能被视为Pākehā胜利的象征，这也是放弃斜拉桥方案选择拱桥方案的一个重要原因。
因此，桥梁结构采用了一个高跨比为10的低矮拱形结构方案，低矮的拱形结构表现出对Pā遗址的尊重。为避免三角形的横向支撑，因此放弃了桁架拱的方案，选用独拱和肋架的方式作为结构的主体受力构件。为降低成本，主拱由一个圆形钢管组成并通过感应加热弯曲的方法形成抛物线形。设计师可根据需要改变空心圆管的直径和壁厚，同时避免了多边形主拱的棱线分散游客的注意力。
桥梁主梁的主要受力构件也为管状结构。从受力出发设计拱平面垂直于桥面板，为提供桥面板的横向刚度和竖向支撑，同时保证拱形横向约束不发生侧向屈曲，设计师在桥面板的一侧设计了多个圆管肋架构件进行支撑。
图4 特雷瓦雷瓦桥的侧面
因此，上部结构的基本骨架均由管形结构组成，经过设计师美观优化后形成了拱门、踵管和趾管的形状（见下面景观设计），能够满足桥梁结构不同方向的弯曲和扭转需求。由于桥址场地原因，需要考虑垂直、水平和扭转的风荷载振动。扭转的基本振型为1.3Hz，垂直和水平的一阶振型均满足BS5400-2:2006附件B中的要求。桥面板材料采用50MPa的混凝土和500MPa的钢筋以提高结构的耐久性和强度，并通过设置横隔板提高桥面板的横向刚度。
岩土工程调查显示，桥台位置处由火山鹅卵石、中粗砂和砾石混合而成，雷蒙数在较深处仍然普遍超过40，因此较难开展桩基础的打孔工作。设计师也将扩大基础和大体积混凝土桥台作为结构基础，这种地质条件为结构提供了极好的承载能力，同时桥台之间产生的差异沉降对上部结构的影响几乎可以忽略不计。桥梁一侧完整地浇筑在桥台之上，而另一侧下部则放置弹性支座以适应温度效应和混凝土产生的收缩徐变。
结构分析是为了保证整个结构的可行性和可靠性。在初步设计阶段，设计师采用了一系列简化模型来研究这种细长和不对称的结构，大多数情况下这些模型可以通过人工完成初步计算，并和更复杂的有限元分析进行对比。
采用经典拱理论计算了非对称半跨荷载作用下主拱的轴向荷载和挠度。采用弹性地基梁模型确定了临界失稳状态的有效长度。将肋架的抗弯悬臂刚度、钢桥面结构的扭转刚度和桥面的横向刚度作为一系列局部横向约束提供肋架的刚度。
桥面在垂直荷载作用下产生的横向力会产生侧向振动。主拱轴线从一侧角对角斜跨整个桥面，其荷载大小取决于垂直荷载的分布及大小。横向荷载通过剪力传递至桥台。
斜拱会产生沿桥面方向的扭矩，由吊架肋结构的踵管、趾管和预制混凝土桥面的纵向连杆共同承担。这些构件的相对轴向刚度用于抵消扭矩产生的横向偏心，扭矩最终由基础摩擦和侧向土压力抵消。
结构的复杂几何形状使得几乎无法预测地震下潜在塑性铰出现的位置，因此整体结构几乎不具备任何延性能力。但是由于整体结构的自重较轻，这并不是控制设计的主要因素。
拱结构采用整体运输的形式，为防止运输过程中的变形，采用刚架拱的结构形式。由于桥梁基础为大体积混凝土桥台，拱结构为斜穿桥面的斜拱，因此需要在端部预留出钢拱架与混凝土主梁的连接端头。为了防止主拱、踵管、趾管在运输过程中因偏心产生的竖向与横向的变形，在运输过程中临时设计了主梁的临时支撑和拉力绳进行控制。
本桥的主梁为是全预制构件，在19根肋架的悬臂梁中间均匀简支支撑。为了提高主梁的横向刚度，在每个悬臂梁段上方浇筑镀锌和防水连接钩。连接钩与悬臂梁之间通过剪力钉相连。为减少混凝土收缩造成的影响，所有的主梁拼装之前需要养护至少150天。
图5 第1个和第8个肋架的细部构造
真实且纯粹的景观设计风格
特雷瓦雷瓦桥在文化领域上最重要的一点是作为通往Ngati Tawhirikura圣地的通道。这片土地曾是他们祖先的家园，他们的祖先被埋葬在河对岸，祖先的灵魂仍然住在对面。桥梁设计必须承认此地对人的精神价值，因此捕捉周围场地的神秘感，正确地模仿传统Mori建筑风格是桥梁设计的一个重要方面。
Parihaka运动对塔拉纳基地区的所有Maoris人意义重大，因为此次运动结束了Ngati Tawhirikura部落所遭受的暴力和苦难。Parihaka运动是由两位塔拉纳基领导者TeWhiti o Rongomai和Tohu Kakahi所领导的非暴力抵抗运动，用于对抗塔拉纳基战争后政府没收土地行为，比印度圣雄甘地倡导的非暴力抵抗运动早了50年。在1879-1898年的19年内，Te Whiti、Tohu和他们所领导的战士遭受了逮捕和未经审判的关押。这场运动的符号是由三根白色的信天翁羽毛组成，仍然被今天的塔拉纳基地区的Māoris所采用。这个符号代表了灵性，代表了与他人和睦相处的重要性，也代表了在冲突中保持善意的必要性。
这座桥体现了一种历史的神秘感，同时还给人一种和平与和谐的感觉。有人引用了16世纪米开朗基罗的一个故事形容这座桥，在这个故事中认为“建造桥梁应该像建造教堂一样”。
米开朗基罗的想法反映了这样一种感觉，即这座桥在某种意义上可以成为世俗的非教徒们进行冥想和崇拜的场所。为了向游客展示这座桥通往圣地，设计师认为这座桥的外观应该类似于一座门。为了正确模仿传统Mori结构，同时保证结构的安全性，设计师决定将主拱斜向穿过桥面板，使得斜向的拱门在狭长的桥面上形成一个微妙的入口，当人们过桥时产生一种过渡感。这种感觉并不仅仅是从一个河岸穿越过另一个河岸，同时还有古代祖先与现代人社会之间的过渡。
垂直的刚性拱与横向刚性桥面板系统通过吊架进行连接，这些吊架为拱提供了有效的竖向和横向约束，防止了拱的屈曲同时提供了扭转刚度。初始方案采用拱到桥面两侧各使用钢筋交叉支撑，但是最终考虑到倾斜支撑会影响桥面上方净空，进而干扰救护车的通行，最终采用19根弯曲肋骨形状的侧向支撑。
这种结构形式的设计灵感来自詹姆斯·K·巴克斯特的诗歌，他用风作为死者灵魂的隐喻。由于桥梁总体上是南北走向，且盛行风从西侧吹来，弯曲的肋骨仿佛被风吹过一般。弯曲的肋与斜拱结构提供了特雷瓦雷瓦桥最独特和最吸引人的特征。
斜向的拱轴线构成了肋架逐渐延伸的视觉效果，这种形式和重复模仿了自然中没有两片绝对相同的树叶这一设计理念，这种设计技巧通常用于宗教的礼拜场所以提升视觉效果的和谐度。
当一个游客走过桥梁时，桥梁上的诗意会逐渐给人一种景观上的过度感。当他从人行道的新普利茅斯侧沿着河岸走进时，这座桥看起来是一座传统的拱桥，拱肋似乎是垂直的。随着他越走越近，透视角度变得更加倾斜，因此肋骨吊架逐渐变成了一个曲面。肋骨架在桥面处延伸出19根横向梁架以支撑桥面板。肋骨架穿过踵管并终于趾管，整体肋骨架结构平行于河流的流动方向。
当他走在桥面上时，桥梁的骨架结构是开放的，不会形成视线阻碍，给上游侧的 Pā遗址提供了无障碍视野。同时，下游一侧的肋架创造了一种庇护和保护的感觉。桥梁主拱的侧向推力和桥面板的横向偏心所产生的扭矩由基础摩擦力和防冲刷的抛石产生的侧向土压力进行平衡。普利茅斯侧河岸为纵向放开的自由端，桥台上设置了三个弹性支座，弹性支座可以有效释放结构因温度变化所产生的纵向位移。同时为了平衡桥台扭矩，在弹性支座下方设置了两个横向挡块。
这个项目中最具创造性和艺术性的设计就是结构肋架和桥梁环境之间的关系，这种关系为塔拉纳基地区的居民提供了更深层的意义。
整座桥梁的涂装均为白色，既与信天翁羽毛联系在一起，又与塔拉纳基山上的积雪融为一体。桥面方向与山顶对齐，拱形结构就可以框起整个塔拉纳基的遗址。引用Baxter的诗句就是“参差不齐的山峰被雪覆盖着。是永恒的沉默见证。”
特雷瓦雷瓦桥融入环境的尝试似乎对当地社区产生了明确的共鸣，这座桥已经成为一个强有力的文化和社区象征，同时也是一件严肃的艺术品。意大利工程师 Nervi曾提到过一种真实且纯粹的风格，即不加任何装饰的纯粹线条和形状。因为它们反映了上层建筑元素的设计，反映了一种与桥址处历史文化关联的抽象自然形式，是一种创造性的联系。
特雷瓦雷瓦桥是一个功能性完美的桥梁，不存在振动和负载问题。虽然桥梁结构自身没有什么原创的内容，但其结构与自然之间的紧密联系可能会为桥梁美学开辟新的领域。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2024年 第4期 总第120期
作者 / Peter Charles Mulqueen（新西兰）
资料来源 / 《国际工程与技术》杂志
（2024年6月总第18期）
编辑 / 裴小吟
美编 / 赵雯
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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