布法羅灣（Buffalo Bayou）被譽(yù)為休斯敦的母親河毫不為過(guò)。

它起源于休斯敦本德堡附近的草原上，向東緩慢地流淌，最終匯入墨西哥灣。在19世紀(jì)，德州最早期的居民便在河的兩岸聚集形成定居點(diǎn)。

布法羅灣的流向

19世紀(jì)明信片上的布法羅灣

隨著兩岸居民區(qū)的不斷發(fā)展，布法羅灣阻隔兩岸交通聯(lián)系的影響開(kāi)始顯現(xiàn)。越來(lái)越多的高速公路與橋梁開(kāi)始在河灣上空跨越。

1977年，一項(xiàng)大橋項(xiàng)目被提上了日程。這條大橋橫跨起始于布法羅灣中部的休斯敦航道，采用了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁方案進(jìn)行建造，雙向四車道的橋?qū)?。大橋最終于1982年落成，被命名為休斯敦航道大橋（Sam Houston Ship Channel Bridge）。

1982年落成的休斯敦航道大橋

休斯敦航道大橋是當(dāng)時(shí)西半球擁有最長(zhǎng)箱梁跨度的橋梁，甚至中國(guó)在當(dāng)年也有報(bào)道。

中國(guó)1982年的文獻(xiàn)資料

然而，無(wú)論休斯敦航道大橋當(dāng)年的歷史多么輝煌，也無(wú)法改變一個(gè)事實(shí)：迄今它已經(jīng)使用了將近40年。

橋體結(jié)構(gòu)不僅存在使用壽命隱患，雙向四車道的橋?qū)捯仓饾u不能適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通量。為此，當(dāng)?shù)卣?017年啟動(dòng)了一項(xiàng)城市更新項(xiàng)目，其中一點(diǎn)就是把舊的航道大橋拆除，更換為分離式雙向八車道的全新大橋。（以下均簡(jiǎn)稱為新大橋）

航道大橋的更換計(jì)劃

新大橋由美國(guó)的FIGG工程集團(tuán)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，該集團(tuán)在美國(guó)全境設(shè)計(jì)了多座橋梁，可以說(shuō)他們的強(qiáng)項(xiàng)就是橋梁設(shè)計(jì)。

與舊橋不同，新橋采用的是斜拉橋形式，跨越航道的主跨由設(shè)置在南北兩岸的兩個(gè)橋塔通過(guò)拉索吊起。斜拉橋可以實(shí)現(xiàn)更大的橋梁跨度，無(wú)須在航道內(nèi)設(shè)置橋墩，相當(dāng)于從另一個(gè)角度拓寬了航道的使用范圍。

新大橋效果圖

新大橋主跨長(zhǎng)達(dá)402m，比舊橋的主跨（213m）長(zhǎng)了足足將近200m。

新大橋的尺寸

為了承受如此長(zhǎng)的跨度，兩岸的橋塔高度也相應(yīng)到達(dá)了157m。

橋塔的高度

橋塔與斜拉索的連接

每個(gè)橋臺(tái)均由48根（6x8）直徑2.4m的樁進(jìn)行支撐。這些樁深入地層達(dá)70m。

橋臺(tái)由長(zhǎng)達(dá)70m的基礎(chǔ)樁支承

從效果圖來(lái)看，新大橋相比舊橋擁有更佳的觀感。為了建造這座富有藝術(shù)性的大橋，工程總造價(jià)來(lái)到了10億美金。

自2018年工程正式開(kāi)工以來(lái)，新大橋已陸續(xù)施工了兩邊的引橋，兩個(gè)高橋塔也繼續(xù)往設(shè)計(jì)高度爬升。

引橋的施工

橋塔樁基的施工

橋塔已初現(xiàn)雛形

就在工程干得如火如荼時(shí)，2019年8月，整項(xiàng)工程卻被緊急叫停。

這一切均起因于2018年3月發(fā)生在邁阿密的人行天橋倒塌事故。當(dāng)時(shí)，施工中的天橋整體塌下，最終造成6人死亡。詳細(xì)的事故分析可以看本號(hào)的往期文章：

20. 禍起蕭墻 · 邁阿密人行天橋倒塌事件

很不幸，邁阿密人行天橋的設(shè)計(jì)方正是FIGG。美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（NTSB）對(duì)事故進(jìn)行深入調(diào)查后，認(rèn)為FIGG在設(shè)計(jì)中的計(jì)算錯(cuò)誤是導(dǎo)致人行天橋倒塌的主要原因之一。

此結(jié)論對(duì)FIGG產(chǎn)生了重大影響，直接導(dǎo)致了得克薩斯州和印第安納州的政府和開(kāi)發(fā)商對(duì)州內(nèi)所有FIGG涉及的項(xiàng)目進(jìn)行更仔細(xì)地審查。

其中，新休斯敦航道大橋也成為了被重點(diǎn)審查的項(xiàng)目之一。政府聘用了丹麥科威公司（COWI）擔(dān)任審查顧問(wèn)，負(fù)責(zé)全面審查新大橋的設(shè)計(jì)資料和施工方案。COWI是一家著名的國(guó)際工程顧問(wèn)集團(tuán)，參與了世界范圍內(nèi)多項(xiàng)重大橋梁工程。值得一提的是，COWI當(dāng)年也是港珠澳大橋的設(shè)計(jì)顧問(wèn)之一。

2020年3月，在新大橋工程被緊急叫停約半年后，COWI向大橋管理局提交了一份獨(dú)立審查報(bào)告。

獨(dú)立審查報(bào)告

報(bào)告中除了包含大量的分析與計(jì)算，還有一句掀起軒然大波的話：

“發(fā)現(xiàn)了21處地方需重點(diǎn)關(guān)切。（identifies twenty-one areas of significant concern.）”

報(bào)告中的這句話雖然說(shuō)得很含蓄，但在看了這21點(diǎn)結(jié)論后，無(wú)論是政府部門(mén)還是媒體都立即將其解讀為“設(shè)計(jì)失誤”（design flaws）。這21點(diǎn)結(jié)論為：

雖然說(shuō)根據(jù)結(jié)論，設(shè)計(jì)單位與承建商都有做得不到位的地方，但最關(guān)鍵的失誤為第4點(diǎn)與第6點(diǎn)，這兩點(diǎn)都與FIGG的設(shè)計(jì)分析息息相關(guān)。

在斜拉橋的施工中，典型的施工順序大致如下：

顯而易見(jiàn)，斜拉橋在承受側(cè)向風(fēng)荷載時(shí)，最不利的工況應(yīng)該是梁體在中部合龍前。此時(shí)，由兩邊橋塔往前延伸的橋梁可以看作一根巨型的懸臂梁，側(cè)向無(wú)任何有效支撐。

然而，F(xiàn)IGG在對(duì)施工階段進(jìn)行風(fēng)荷載分析時(shí)，并沒(méi)有考慮這些臨時(shí)工況下橋體的動(dòng)力特性差異，而是認(rèn)為橋梁在施工階段擁有固定的動(dòng)力特性。

這種做法，可能會(huì)導(dǎo)致橋梁在施工至最不利工況時(shí)，出現(xiàn)預(yù)料之外的變形或失穩(wěn)。

在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，根據(jù)樁受力特性的差異，主要可分為兩種類型：端承樁與摩擦樁。

端承樁與摩擦樁

端承樁一般樁端坐落在巖石或堅(jiān)硬的地層中，當(dāng)上部傳來(lái)壓力時(shí)，主要由樁端區(qū)域提供反力。以下的圖片可以直觀的看到這種力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)。

端承樁的受力特性

與端承樁不同，摩擦樁的樁端下部并沒(méi)有堅(jiān)硬的地層，因此主要由樁側(cè)與土層之間的摩擦力提供反力。當(dāng)然，摩擦樁的樁端也會(huì)提供部分反力，但它的貢獻(xiàn)度不像端承樁那樣占據(jù)主導(dǎo)地位。以下為摩擦樁的受力特性，反力由樁周一定范圍內(nèi)的土層提供。

摩擦樁的受力特性

新大橋橋塔處的樁基正是屬于摩擦樁類型。休斯敦所在地區(qū)的地表以下，沉積有深厚的土層，要到大概2000英尺（約600米）深度才觸及巖層。這種情況下，采用端承樁是不現(xiàn)實(shí)的。

休斯敦地區(qū)深厚的土層

在600m以上，絕大部分都是由一種被歸類為Beaumont Formation的粘性土所構(gòu)成。

粘性土是樁基礎(chǔ)的主要構(gòu)成地層

雖然橋塔的樁基深達(dá)70m，但主要仍是被粘性土所包圍。

摩擦樁有一項(xiàng)很鮮明的特點(diǎn)，當(dāng)一群樁聚在一起受力時(shí)，每根樁的受力并不是均等的，而是根據(jù)樁位置的不同有所差異。這個(gè)特點(diǎn)被稱為「群樁效應(yīng)」（Group Piles Effects）。

在群樁中，如果兩根樁之間的間距過(guò)近，或者上部傳來(lái)的荷載很大，兩根樁往土層傳播應(yīng)力的區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)重疊。如果有四根樁，那四根樁的中心點(diǎn)區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)四次的應(yīng)力重疊現(xiàn)象。

樁間應(yīng)力的重疊現(xiàn)象

樁間土層的承載力是有限的。當(dāng)應(yīng)力重疊過(guò)多時(shí)，土層并不會(huì)提供相應(yīng)的承載力，因?yàn)樗某休d力已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)極限點(diǎn)。也許單根樁時(shí)能承受500噸的壓力，但四根樁加一起時(shí)，承載力卻達(dá)不到4倍的2000噸。

假設(shè)樁群中每根樁的長(zhǎng)度和直徑一樣，一般是角樁的承載力>邊樁>中間樁。下圖可以很直觀地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。

樁群中的受力特性差異

在FIGG設(shè)計(jì)的樁基礎(chǔ)中，每根樁的受力都被認(rèn)為是均等的，并沒(méi)有考慮群樁效應(yīng)的影響。根據(jù)COWI的重新檢算，樁基礎(chǔ)中角樁和邊樁的受力會(huì)比中間樁更高，這與群樁效應(yīng)理論是一致的。

如果按照FIGG原來(lái)的分析結(jié)果設(shè)計(jì)，部分基礎(chǔ)樁甚至?xí)霈F(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象。這將導(dǎo)致一個(gè)十分嚴(yán)重的后果：基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖。

FIGG被炒掉，COWI將接手新大橋項(xiàng)目進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。

新方案將增加約4億美金的造價(jià)，其中包括部分已建橋梁的拆除費(fèi)用。最終總費(fèi)用比原來(lái)上漲了40%。

FIGG受邁阿密人行天橋和此事的影響，在2020年7月被聯(lián)邦公路管理局處罰，在9年內(nèi)「禁止」承接任何聯(lián)邦政府的項(xiàng)目。

美國(guó)政府對(duì)于失信行為有著嚴(yán)格的管理制度，對(duì)于存在失信行為的企業(yè)，可能會(huì)受到「暫停」（suspension）交易或「禁止」（debarment）交易的處罰。兩種方式的區(qū)別如下：

很明顯，「禁止」已基本對(duì)企業(yè)的失信性質(zhì)做出了官方定性。來(lái)自喬治·華盛頓法學(xué)院的Tillipman評(píng)論道：