于2019年7月通車的加拿大塞繆爾·德·尚普蘭大橋（以下簡稱新尚普蘭大橋）長3.4km，取代了曾經橫跨圣勞倫斯河及圣勞倫斯航道的老尚普蘭大橋。老橋是一座鋼桁架橋，由于結構和質量等問題，近年來的橋梁維護費用逐年增加，新橋的建設將為該地區帶來經濟和社會效益。

　　新尚普蘭大橋的預計使用壽命為125年，每年過橋的車輛將超過5000萬，大約有200億加元的國際貿易貨物將經由這座大橋運送。聯邦政府稱，這座耗資超過40億加元的大橋將成為北美目前最大的公共基礎設施項目之一。

　　不斷惡化的老舊橋梁、有限的建設周期，以及惡劣天氣對大型基礎設施項目的限制，都對新尚普蘭大橋的建設提出了挑戰。為了能夠在48個月的時間里完成設計和施工，設計/建造團隊決定利用預制混凝土及鋼構件，通過快速橋梁建設(ABC)技術完成這座耗資巨大又引人注目的大橋。

　　主要構件的快速施工法

　　新尚普蘭大橋的主橋采用斜拉索結構，主跨為240m，有三個獨立的平行道路面層，總寬度為60.2m，每個方向有4條高速公路車道，中間設有一個供輕型列車使用的軌道，還有一條專供行人和騎行者使用的多用途通道。

　　橋塔

　　主塔基礎采用鉆孔灌注樁形式，承臺及塔腳處為現澆混凝土結構。為了便于冬季施工，下塔柱選擇了預制混凝土構件，而上塔柱采用爬模技術進行連續澆筑混凝土。

　　橋塔采用高效的預制分段施工法，在大約40天內吊裝架設了44個節段，速度最快時可以在1天內架設完成4個節段。預制節段的尺寸由承包商來控制，可以使用常規設備和起重機進行作業，因此省去了調用專業施工設備的時間和成本。

　　下橫梁

　　為了使塔梁可以完美銜接，并控制主跨的下撓，在主塔建設過程中，下橫梁的施工是關鍵的一步。

　　下橫梁由兩個復合U形梁（被用作支撐桿）組成，頂部和底部的混凝土板將每根梁連接起來。下橫梁長48m，寬8.8m，在塔柱的特征斷面處高3.495m。

　　這種組合形式的截面設計可以為大型混凝土結構提供足夠的截面剛度和強度，并與上部結構的箱梁結合形成鋼框架。通過在混凝土板中設置三向預應力筋來解決塔梁之間的相互作用。

　　按照正常使用極限狀態(SLS)和承載能力極限狀態（ULS）的設計要求，對全局模型進行了分析，并利用商業分析軟件建立了一個下橫梁的施工階段模型，以評估混凝土和鋼構件在施工過程中的應力，以及安放上橫梁時對其的影響。

　　下橫梁中的鋼梁部分為預制構件，在承包商的制造車間中完成預制并運抵現場，然后再進行現場混凝土澆筑。由于鋼梁和混凝土填料的存放受溫度影響較大，因此必須在冬季來臨前完成，以便混凝土養護。下橫梁的施工需要盡早完成，以便為主梁的架設提供支撐，為架設上塔柱提供必要的剛性。2016年秋季，下橫梁的鋼梁部分完成了現場交付，并吊裝就位。這也標志著新尚普蘭大橋項目的建設取得了里程碑式的突破。

　　上部結構的縱梁及橫梁

　　上部結構的縱梁由三個鋼箱梁組成，分別承載北向車道、南向車道和中央交通道。在每對斜拉索與主梁的連接處設置橫梁，從而形成一個二維的鋼箱網格。橫梁將縱梁承載的重量傳遞給斜拉索，同時也分散了斜拉力，減輕了上塔柱的扭轉變形。橫梁與三個鋼箱梁段構成了主梁架設時的基本裝配單元。由于承載北向和南向車道的鋼梁懸挑在橫梁上，使得橋面板在橫向上受拉。

　　考慮到斜拉索的非對稱不平衡布置對橋梁整體結構受力的影響，需要在背索側的邊跨區域內使用混凝土配重來實現主塔的整體受力平衡。在主跨區域內也使用了平衡重，將混凝土澆筑在鋼梁的隔室內，從橫向上平衡了南向的車道和更寬的北向車道。

　　按照BS EN 1993-1-5（BSI 2010）標準，縱梁和橫梁設計為4級加筋受壓構件，并按項目要求采用復合混凝土板。考慮了所有適用的極限狀態，包括施工極限狀態（CLS）、疲勞極限狀態（FLS）、正常使用極限狀態(SLS)、承載能力極限狀態（ULS）、極端事件極限狀態（ELS），例如地震和多拉索損失等極端事件荷載。

　　基于三維模型分析得出的并發力進行了上部結構的設計，并考慮了施工階段以及收縮徐變效應。而且，還對整體進行了屈曲分析，驗證了結構的穩定性，得到了受壓構件的有效長度。同時，對必要的細部構件進行了局部的有限元分析（FEA），并在設計階段考慮了后續施工和安裝設備時可能產生的影響。

　　在上部結構的設計中還考慮了許多加快建設進度的因素。例如橋面板由預制的面板、耐腐蝕的現澆混凝土接縫及鋼筋組成。預制混凝土板內的鋼筋布置與頂緣的剪力釘布置相協調，避免了預制橋面板在現場放置時的問題，尤其是考慮到對不同金屬接觸時的嚴格要求。翼緣底部的結構板有效地利用了混凝土的抗壓特性，減少了結構鋼的用量。為了便于施工，采用了開口加勁肋板。由于細部構造的標準化實施，以及在預制車間內限制使用坡口焊，節省了檢查和焊接時間。所有縱梁節段都是在現場或預制廠用螺栓連接的，大部分板厚過渡段都位于螺栓連接處。上部結構的所有預制橋面板都是由多個預制廠在車間內完成，最大限度地提高了生產率。在預制車間，有8條預制生產線，每周可生產多達51塊面板。

　　斜拉索及錨固

　　斜拉索由127根符合ASTM A416（ASTM 2018）要求，標準強度為1860MPa的鋼絞線組成。每根鋼絞線的最低斷裂強度為279KN。這些鋼絞線經過熱浸鍍鋅處理，上蠟并用高密度聚乙烯（HDPE）套管包裹，且通過測試（包括疲勞測試）驗證了斜拉索的性能。根據全橋的氣動彈性試驗，預計在可承受的風速范圍內，橋梁不會受到渦激振動影響。

　　索塔錨固區是橋塔模塊化建造的關鍵，錨固結構作為斜拉橋的主要設計構件之一，在上塔柱的索塔錨固區內設置連接梁，每根梁由兩塊重型的彎曲鋼板組成，末端有箱形結構支撐，內置于混凝土塔壁中，并通過剪力釘和剛性連接鍵連接。主跨區域內的斜拉索均錨固在塔柱外側的鋼箱末端。將錨碇放置在外部可以減少對荷載的要求，并使橋塔更纖細美觀，而傳統的設計是將頂部錨碇放置在橋塔內部。與傳統的索鞍相比，這種連接梁的另一個優點是，將非對稱布置的斜拉索之間的不平衡力傳給橋塔，消除了拉索在索鞍上可能出現的滑移情況。

　　使用連接梁設計的最顯著優點是，允許橋塔的模塊化建造。雖然上塔柱由現澆混凝土節段組成，但每個節段都已經與連接梁、加固構件、后張拉（PT）構件和支撐框架等預拼裝在一起。然后通過托架，將每個預拼裝節段吊起并置于前一節段的頂部。最后，將混凝土澆筑其中。在澆筑過程中，始終對混凝土的溫度進行監控。因此，采用模塊化的塔柱結構加快了橋塔的建設，并使其擺脫了現場施工的影響。

　　橋墩與基礎

　　全橋共有37個橋墩，其中主跨區域內有4個，W01、W02、E01橋墩的基礎采用鉆孔灌注樁及現澆混凝土承臺，而位于陸地上的E02橋墩基礎則采用現澆淺埋基礎。與下塔柱類似，擴大基礎和承臺上方的部分墩身為預制構件。預制墩身段為空心混凝土箱形截面，使用后張拉（PT）和環氧樹脂連接在一起。由于該段墩身內的剪力鍵是在車間里匹配制造的，因此減少了現場安裝所帶來的問題。

　　W形的墩帽設計是新尚普蘭大橋的特色之一，為了加快施工進度，將墩帽的上半部分用鋼材制造，縮短了工期。

　　為了與全橋的造型協調一致，墩帽的幾何形狀受到了嚴格的控制。墩帽高11.4m，寬51.2m。業主允許使用混凝土或鋼來制造墩帽，但指定了墩帽的外觀，僅在名義上容許對其進行調整。

　　最初的墩帽是設計成預制混凝土結構的。雖然用混凝土建造墩帽是可行的，但考慮到有可能產生的幾個問題會增加工期延誤的風險。例如，復雜的W形墩帽需要在整個分段區域內進行高難度的模板架設、長時間的混凝土養護，而且后張力（PT）構件的放置還需要額外的施工步驟。不僅如此，吊裝這么重的混凝土構件也是一項巨大的挑戰。

　　最終選擇的解決方案是用鋼材來制造墩帽的上半部分。為了減少現場施工的時間和工作量，鋼制墩帽在場外進行制造，在安裝時使用小型起重機即可，這樣所需的裝配步驟也更少。

　　這類特殊形狀的鋼制墩帽設計在技術上同樣具有挑戰性。因為施加其上的荷載不僅包括自重，還需要承擔上部結構的反作用力和滑動支座的水平摩擦力。而且該設計中還考慮了中心拼接處的預應力效應。用于墩帽的結構鋼為350 WT級。W形墩帽頂部的水平弦桿被指定為可斷裂關鍵構件（FCM），根據CAN/CSA S6（2012）對其進行了斷裂分析，因為它們的斷裂可能導致橋梁的垮塌。鋼結構設計優化了厚板的使用，減少了所需的鋼筋數量，從而簡化了制造過程。墩帽由兩部分組成，通過駁船運抵現場。每半個墩帽約有200噸重。為了進一步加快制造速度，每個墩帽內各設有3個可選的螺栓進行現場拼接。這些螺栓連接后可以抵抗軸向拉力和剪切力、減少現場焊接，并進一步減輕每個裝配組件的吊裝重量。

　　鋼制墩帽與混凝土承臺之間的過渡段，被設計為鋼-混組合結構。過渡段由帶有剪力螺栓的鋼殼、填充的預應力鋼筋混凝土組成。這種連接方式使墩身的鋼絞線處于后張拉力作用下，并以此作為鋼構件的固定支撐。為了便于千斤頂的操作，該節段先保持打開狀態，等頂升完成后，上部鋼箱用螺栓連接到頂部，然后在中心處將兩者連接在一起。

　　所有37個鋼制墩帽均在三個制造車間內預制的。由于周密的安排，保證了構件預制的標準化。2017年夏天，第一批鋼墩帽從制造車間運抵施工現場。隨著預制混凝土墩身的完成，將鋼墩帽吊裝就位，并通過后張拉進行錨固。

　　建設這座斜拉橋的主要挑戰是穿越加拿大東部和五大湖地區的圣勞倫斯水道。因為航道內不允許使用臨時結構，因此必須保持航道通暢，以免影響運輸。

　　背索側的邊跨是在間隔約25米的臨時支架上進行施工的。每個臨時支架都配有一個千斤頂系統，用來控制縱向和橫向的翹曲，并在放置接縫灌注料和現澆混凝土之前，將橫梁預壓到設定值。這樣做是為了限制橋面板在橫向上的張力。由于邊跨和橋塔先施工，從而使承包商有充足的時間為主梁的重型起吊做準備。對于鋼板和預制面板的制造也制定了相應的日程。

　　之所以選擇組合鋼箱梁作為主要的上部結構，是基于施工工期的考量。盡管混凝土結構也適用于邊跨，但會影響冬季施工的進度，甚至會將整個工期推遲數月。

　　考慮到圣勞倫斯水道可能會在12月至3月間結冰，因此暫時取消了航道作業的運輸限制。然而，冬季的嚴寒使混凝土澆筑變得困難，并且降低了整個生產率。因此，在獲得了圣勞倫斯航道管理公司（SLSMC）的船舶通關許可后，在2018年春季和夏季進行了主梁的架設。將每個節段吊裝到車上，通過航道運輸至架設區域的前部，另一臺起重機將其提升到位，并連接到先前架設好的主梁上。航道上的運輸只需要幾個小時，一旦吊裝就位，就不再影響通航凈空。因此，在整個主梁節段的架設周期中，對通航凈空的影響僅限于每月的幾個小時內。

　　傳統的斜拉橋施工方法是懸臂施工，先架設鋼箱梁，再張拉斜拉索，最后放置混凝土橋面板。但為了加快施工速度，調整了施工步驟，用混凝土板、校準裝置和配重將鋼梁節段架設到位，這雖然增加了懸臂施工造成的主梁端部彎矩，但每個節段的施工周期減少了。當吊裝該節段時，混凝土板尚未連接，這樣既減輕了吊裝重量，同時還減少了由于橫向彎曲而引起的橋面板開裂。每節段安裝完成后，在拉緊斜拉索之前，預制面板接縫處由混凝土澆筑連接。

　　重型起重機共架設了15個節段，每個重約900MT。在主跨區域內施工涉及多個階段的拉索應力控制，這對于控制架設前部后方的主梁反向彎曲是至關重要的，同時也有利于施工團隊控制工期進度。

　　新尚普蘭大橋在架設方案上的一項重要創新是，2017年底，為了加快進度，承包商決定重新規劃斜拉橋的橋面合龍點，使航道的東西兩岸可以實現同時架設。然而，由于圣勞倫斯水道禁止施工的要求，該架設方案導致了從E01橋墩開始的第一個50米懸臂段，無法使用橋面板下方的臨時支撐。經過大量的工程分析和施工可行性評估，工程師們提出了一個創新而大膽的解決方案：在E02橋墩和主跨MS12、MS13梁段用了一個單柱塔來支撐懸臂。也就是說，東側的懸臂段實際上類似是由一個臨時斜拉橋來支撐的。由于該方案的成功實施，取代了曾經耗時的架設安裝，從而節省了兩個多月的施工工期。