塔米納河谷大橋
塔米納河谷位於瑞士聖加侖州的南端。它自南向北，終於阿爾卑斯山萊茵河谷的溫泉小鎮Bad Ragaz，海拔高度約500米。河的下游流經深切的山谷，將高原與對岸的城鎮分隔開來。
往常，居住在Pf fers一側的居民,通過起點位於Bad Ragaz鎮中心、途經塔米納河谷兩側的公路前往Valens。但這段蜿蜒曲折的公路，由於存在地質風險，且不能滿足日益增長的運力需求，經Bad Ragaz、Valens和Pf fers三地當局的決定，於2005年開始修建一座跨越塔米納河谷、連接Valens和Pf fers的橋樑。他們相信，這座橋樑將成為提升兩地間運力最經濟的解決方案。通往該橋的新道路將繞過西北方向的Pf fers村，進入Bofel 區。從Bofel區到河谷對面的Berg區，橋樑長度需要約400米，跨越山谷的深度約200米。
圖1 塔米納河谷大橋位置示意圖
與自然融合的設計理念
為確保橋樑結構與周邊自然環境的融合，需要高標準、謹慎地處理周邊及當地環境的敏感要素。例如，要儘可能地減低橋樑在建設階段對當地自然保護區的影響。此外，詳盡的地質調查也是該項目取得成功的先決條件。
設計競賽方案比選
當局決定通過舉辦國際設計競賽獲取最佳設計方案。設計方案必須符合以下標準：技術可行、外觀出色、經濟實用。
競賽文件中提供了路線的平面、縱斷面圖，以及橋面尺寸。此外，地質報告中概述了地質狀況。根據瑞士的州級保護計劃，該河谷地區是野生動物棲息保護區，橋樑下方的區域是岩羚羊的棲息地，施工過程中必須考慮這一點。保護區的景觀保護目標也需要與野生動物的保育計劃相符，因此應避免興建改變保護區特徵的建築物。
盲選階段共收到24份設計方案，反響熱烈。在這些作品中，占比較大的是拱橋的設計方案，共有14種。經過兩輪嚴格的評選，其中有4份拱橋設計方案脫穎而出進入決賽。評審團以1:250比例的景觀模型，對4份方案進行了最後的評估，最終一致選擇了由德國萊昂哈特-安德拉合伙人諮詢公司（LAP）提供的斜拱+斜拱上立柱的方案。該方案因結構通透、簡潔高雅、經濟環保、施工方法簡便而獲得方案競賽的第一名。
圖2 最終入圍的四份設計方案
良好的地質情況
經過評估，橋位處的地質情況無明顯問題。岩石層的抗壓強度在30～60Mpa之間，屬於高強度混凝土的最高範圍。但在河谷的左側，與岩石裂隙有關的墜石層需要注意，因為陡峭的山勢會有大塊岩石滑落的隱患，施工過程中必須小心處理。
嚴格的環境保護規定
作為野生動物的棲息地，塔米納河谷的景觀保護目標須嚴格執行。例如，橋下沿河谷兩側就是岩羚羊的棲息地，這就要求大橋的設計方必須考慮棲息地保護法，施工期間避免在河谷較為陡峭的一側或谷底進行活動。而且， 位於河谷上部，面向Bofel一側 (通往Pf fers) 和Berg一側(通往Valens)的拓寬工作也應被減少到最低限度。
最後，施工過程中應關注橋樑與周圍景觀環境的融合，在任何情況下都不應改變景觀特徵。
無墩柱的設計原則
由於橋樑橫跨塔米納河谷，根據周邊的自然環境，需要採用無鉸拱，跨徑為265米，主拱圈與拱上立柱為剛性連接，施工時採用平衡懸臂法及臨時支撐系統。
為減少對自然環境的破壞，僅設置橋面端部及拱腳處共4個基礎。無論從技術角度還是從地質角度看，這樣的設置是沒有問題的。主拱採用兩個不在同一高程上的半拱構成。為了使兩個半拱在拱頂處的水平力相等，兩個半拱的跨度和矢跨比均不相同。左側拱腳的高度明顯高於右側，但仍處於可以承載較大拱腳推力的基岩區域。兩個拱腳之間的高度差，也與河谷整體輪廓不對稱的幾何形態相呼應。
為了減少主拱的推力，採用傾斜布置的拱上立柱，拱腳處的基礎傾斜面與拱軸線垂直，且坡度與陡峭的河谷斜坡坡度相似，這樣的設計可以很好地融入到周圍的自然景觀中。其餘的拱上立柱也呈放射狀分布在主拱上，自然、有序、和諧地表達出了整個結構。
而且，這種上承式拱橋使橋上的視野更開闊，與整體景觀較為協調。因為主拱施工時採用懸臂吊裝，所用的臨時支撐系統也可以最大程度地保護橋下的所有區域。
結構的總體布置
大橋主跨為265米，是一座非對稱後張法預應力混凝土上承式拱橋。拱上立柱的高度，最高可達4米，且高度依次向拱頂中心位置逐漸減少至2.05米，如圖3所示。主拱的截面寬度也發生變化，往Berg方向的拱截面最大寬度為6.95 米，最窄處為5米，另一側的拱截面最大寬度為9米。主拱採用箱形截面。
圖3 結構布置圖與橫截面
因為立柱斜置，所以立柱和主梁以及拱肋的連接必須剛性連接，而不能設置支座。但是如果立柱和主梁以及拱肋剛性連接，短立柱內的彎矩則特別大，為了克服這個問題，在短立柱的上部和下部採用「混凝土鉸」來解決，如圖4所示。即立柱截面在鉸這個位置，截面尺寸大大縮小， 來減少此處截面的彎矩。
圖4 混凝土鉸
傾斜的立柱除對橋面結構起到支撐作用外，還作為邊跨的一部分組成了剛架結構的受力體系。這種剛架結構的設計也使大橋在橫跨塔米納河谷時，可以不設置中間的立柱，因此在經濟和美學上更具吸引力。立柱採用變截面設計，間距在38.45米～62.7米。與上部的橋面結構相接後， 更加明顯地體現了框架效應，與典型的鐘擺式拱上立柱區別顯著。
橋面系由連續的預應力混凝土梁構成。由於橋兩端的立柱傾斜度大，因此可以顯著地減小邊跨的跨度，Bofel一側從原先的89米減少到了62.7米，而Berg一側從48.50 米減小到了38.45米。
主拱截面的高度變化範圍較廣，一般截面高度為2.75 米。根據框架結構的受力特點，兩側邊跨的截面有加腋高度，Bofel一側為4.75米～5.00米，Berg一側為4.3米～4.5 米。箱梁寬度為5米，懸臂長度為2.73米。因橫橋向受力良好，無需增加橫向預應力。
考慮到上部結構的跨度變化，在橋台處設置了支座， 而整個結構其餘位置均不再設置支座。
所有結構構件均採用鋼筋混凝土或預應力混凝土製成，為施工提供了方便。
施工過程設計
2011年春季，萊昂哈特-安德拉合伙人諮詢公司(LAP) 完成了這個所謂的建設項目。這相當於大約30%到40%的設計總量。除在投標前完成的初步細節設計，施工圖設計階段的工程師就已參與到該項目的早期設計階段。
現場施工自2013年3月開始，先進行基礎和橋台的施工；之後轉入主拱圈的施工，兩個半拱分別按照5米一節向中間延伸，混凝土節段通過臨時塔錨固在河谷兩岸的岩壁上，臨時支撐塔高100米；靠近橋台處，兩個節段採用一組斜拉索，其後的5～7個節段採用一組斜拉索；在塔的後方，斜拉索錨固到臨時基礎，臨時基礎通過岩錨傳遞荷載到地面。直到主拱合龍後，拆除臨時支撐塔架，開始拱上立柱及橋面系的施工，上部結構和橋柱施工從中心到端跨共分四步進行施工。
圖5 施工過程示意圖
圖6 吊裝拱圈
LAP提及了一些設計分析中涉及的特殊問題，並廣泛進行了施工過程的評估。考慮到斜拉索存在的潛在風險，甚至優化了施工中的抗震方案。考慮到混凝土裂縫的形成會導致結構的剛度降低，LAP還對最終狀態和幾個施工階段的穩定性和屈曲分析進行了研究。
依據工程師的勘探要求進行了地基情況的調查，結果表明，拱肋和橋台基礎均為筏形基礎。
塔米納河谷大橋，採用拱上斜立柱和無中間短立柱的拱橋方案，使空中穿越河谷成為可能。同時考量了周邊地形，儘可能地減少了支座。由於橋面道路位於主拱圈的上面，使整個橋樑與周邊的整體景觀特徵基本保持不變。通過採用不同跨度和矢跨比的兩個半拱形成一個大拱，並與框架結構相結合，形成了獨特的設計語言。可以說本橋是對傳統結構和技術，賦予當代的技術和施工方法，用傳統演繹創新也是歐洲當代結構工程藝術的主要手法之一。
塔米納大橋已於2017年6月通車。2018年11月，大橋獲得了英國結構工程師協會(Institution of Structual Engineers) 頒布的最佳結構設計獎及最佳公路/鐵路橋樑獎。
本文刊載 / 《橋樑》雜誌 2020年 第1期 總第93期
作者 / Wolfgang EILZER Martin ROMBERG Michael MüLLER
作者單位 / 德國萊昂哈特-安德拉合伙人諮詢公司（LAP）斯圖加特總部