项目报告：建设从底特律到温莎的连接

一座高耸于云雾缭绕的河面之上的楼梯塔已全部安装完毕。（图片：Bridging North America 和 DH Charles Engineering, Inc.）

2020 年 10 月，Universal Manufacturing 与 DH Charles Engineering (DHC) 接洽，开始规划如何为新建的戈迪·豪国际大桥桥墩的攀爬混凝土模板提供工人通道。

楼梯塔一期工程。该塔架设于地面，可从地面向上延伸约 215 英尺（约 65 米），从而方便进行第一批混凝土浇筑。（图片：Bridging North America 和 DH Charles Engineering, Inc.）

楼梯塔的通行要求是提供辅助通道，以替代电梯通往爬升模板，同时还要确保在电梯无法运行时能够紧急疏散。由Universal公司编制并经DHC公司审核盖章的图纸包详细列出了楼梯塔的各个部分，这些楼梯塔将在地面建造，并随着桥墩浇筑高度的增加而吊装到位。因此，楼梯塔必须能够随着桥墩本身的高度而增加。此外，还存在横向稳定性问题。由于项目现场位于底特律河岸边，预计将持续使用数年，脚手架将承受最恶劣的季节性天气。

此外，由于墩柱呈A字形，每增加1英尺高度，墩柱就会向两侧移动2英寸，最终高度会超过其底部起始位置的72英尺，这使得情况更加复杂。由于楼梯塔需要与墩柱牢固连接以确保横向稳定性，这意味着随着脚手架高度的增加，连接件的长度和不对称性都会增加。克服这一关键难题将成为脚手架设计的重要环节。

随着桥墩高度的增加，它们逐渐向彼此倾斜，最终在顶部汇合。这就带来了复杂的结构设计挑战：需要实现较大的连接距离，并且桥墩的位置会随高度而变化。（图片：北美桥梁公司和DH Charles工程公司）

高度规划

作为我们的北方邻国，加拿大是美国的主要贸易伙伴之一，这并不令人意外。但令人惊讶的是两国间贸易额之巨：仅2021年就超过6640亿美元。更令人印象深刻的是，近四分之一的贸易额经由底特律河，连接加拿大温莎市和美国密歇根州底特律市。正因如此，连接这两个门户城市的桥梁建设于2004年启动。经过十多年的规划和准备，戈迪·豪国际大桥于2018年由北美桥梁公司（Bridging North America，简称BNA）组成的联合体正式开工建设。这座桥梁最终将横跨半英里多，其标志性的轮廓由两座高耸于河面之上722英尺的A字形桥墩构成。

第二阶段的楼梯塔架，展示了将塔架固定到斜墩上的复杂连接设计，这种设计将在所有三个阶段中使用。（图片：Bridging North America 和 DH Charles Engineering, Inc.）

2020年，BNA委托Universal Manufacturing公司为美国主跨大桥桥墩的施工提供工人进入爬升式混凝土模板的通道解决方案。该桥墩最终高度近550英尺（约168米），从地面到两腿连接处的高度和几何形状都十分特殊。虽然施工现场配备了物料提升机，但在整个施工阶段，为工人提供安全、可靠且万无一失的疏散通道至关重要。

设计因素

在最初的设计过程中，必须考虑多种因素。由于桥墩两腿之间的空间过大，无法在两个爬升模板之间架设桥梁，因此项目伊始就需要建造两座独立的楼梯塔。当两腿都达到约 225 英尺的高度后，便在爬升模板顶部安装一座人行桥，南侧楼梯塔将继续向上延伸至所需的近 550 英尺的高度。

楼梯塔已全部安装完毕，新桥墩也接近完工高度。（图片：北美桥梁公司和DH Charles工程公司）

Universal Manufacturing 和 BNA 就总体方案达成一致后，Universal 的 Chris Cox 联系了 DH Charles Engineering 的 Mark Palmatier。从一开始，脚手架设计的一个重要方面就是需要达到的高度。这座近 550 英尺高的脚手架，即使不考虑任何工人的活荷载，其组件本身的重量也会超过其承载能力，更遑论连续楼梯塔的组件。

除此之外，或许更大的设计难题在于如何确保楼梯塔牢固地固定在码头结构上。对于一个需要经受多个季节考验，且环境极其恶劣的系统而言，坚固耐用的连接系统至关重要，这也成为了设计的重点。

由于桥墩呈A字形，随着桥墩支腿高度的增加，它们会向彼此倾斜，最终在顶部汇合。从脚手架设计的角度来看，这导致布局和连接情况变得越来越复杂：随着脚手架高度的不断增加，用于横向稳定脚手架所连接的结构会不断被拉开距离。最终，确定采用三阶段施工方案是实现近550英尺高度作业的最佳平衡方案。脚手架底部设于地面，最高高度约为214英尺。

这条楼梯为位于550英尺高桥墩顶部的工人提供了一条至关重要的紧急疏散通道。（图片：北美桥梁公司和DH Charles工程公司）

届时，一个钢结构平台将固定在桥墩上，二期工程的楼梯塔将安装在该平台上，并延伸至桥墩上方157英尺处。第二个钢结构平台将固定在桥体上，距离地面近371英尺。三期工程的楼梯将重新安装在这个最终平台上，高度将达到173英尺，并可通往A型架两腿的交汇点。对于每个架设在平台上的楼梯塔，其底座都会移动，以调整楼梯塔的位置，使其适应桥墩的坡度。这些钢结构平台最终由一家独立的咨询公司设计，因此楼梯塔将产生的荷载和潜在设计力已提供给平台设计团队并与之协调。

楼梯的高度和重量问题解决后，工作重点转移到了脚手架的连接件上。由于脚手架位于底特律河畔，且远高于周围任何建筑物，因此很难抵御该地区常见的强风。对于三期工程中最高的脚手架而言，情况尤其如此。

伸手摘星

楼梯塔不仅会承受高达105英里/小时的风速，而且在最高点，其与桥墩结构在两个方向上的偏移距离接近20英尺。这意味着任何连接桥墩的支撑结构都将承受强烈的非对称荷载，拉杆长度超过25英尺。为了确保准确计算楼梯塔所承受的力，楼梯的每个阶段都通过有限元分析模型进行建模，并在各种风荷载条件下进行分析。这些模型不仅考虑了每个已建成楼梯段的高度，还考虑了其安装的海拔高度和工期。在每个拉杆位置，收集最大和最小力值，并用于计算最坏情况下的拉力和压力荷载。

这些楼梯塔的设计旨在随着项目的推进而扩展，从而为桥梁的多个部分提供了通道，从桥面到桥墩模板。（图片：北美桥梁公司和DH Charles工程公司）

由于连接杆需要跨越的距离较大，项目初期便决定采用模块化脚手架桁架作为刚性连接构件，并通过桁架间的横向管件和夹具连接进一步加固。利用预制构件中双桁架横梁的固有强度，使得安装比使用单个脚手架管件搭建相同结构要简便得多。由于桥墩相对于楼梯的位置变化，导致每个连接点的连接杆长度和角度均有所不同，因此对每个连接杆层的支撑结构进行了建模，项目竣工时共建立了26个模型。

DHC凭借其工作荣获2023年脚手架及通道行业协会年度工业合作项目奖。