从战前过河工程到战后重设计
基辅建设这座公路桥的计划早于第二次世界大战中的苏德战争。第聂伯河两岸需要道路联系,设计同时必须给主河槽航运保留较大跨径。最初批准的方案采用铆接桥跨;帕顿则主张利用乌克兰苏维埃社会主义共和国科学院电焊研究所开发的自动埋弧焊技术制造上部结构。
早期妥协方案仍在工地接头保留铆接。1940至1941年,桥墩等支承结构已经施工,第聂伯罗彼得罗夫斯克的金属结构厂也开始生产构件,战争却中断了工程。1946年,帕顿再次推动桥梁焊接研究。1948年的设计调整要求采用实腹焊接主梁,并保留既有支承体系;这为战后建成的桥梁确立了不同于最初方案的结构方向。
参考:[1]
把全焊接做成可重复的结构
建成桥梁长约一千五百米,共二十四跨,其中二十跨为约五十八米,四个通航跨为约八十七米。主梁属于连续体系,横向设置四根工字形纵梁,由横向构件联结,钢筋混凝土桥面与上部横梁共同承担交通荷载。通航部分的支点附近另设加腋,以适应受力需要。
“全焊接”指桥跨构件在工厂和现场的连接均采用焊接,并不意味着每一道焊缝都由机器完成。主要构件尽量使用自动、半自动焊接,某些横梁和支撑仍用手工焊。把同类大块构件标准化,既方便工厂流水生产,也使工地接头具有相近形式,减少了高处逐件拼装的复杂程度。
困难在材料、接头和焊接过程
帕顿面对的反对意见并非没有工程背景。欧洲曾有焊接桥梁开裂或失效,直接沿用铆接桥的钢材与节点形状,并不能保证焊接后的安全。研究所对焊接和铆接试件进行静载、交变荷载与冲击试验,考察接头形状、应力集中和缺陷怎样影响疲劳破坏。
钢材需要兼顾低温韧性、抗时效能力和焊后接头性能。设备则要稳定保持焊接参数,让电极准确沿接缝运行,并适合搬运到现场。竖直接头尤其困难,工程人员发展了对焊缝熔池加以约束成形的工艺。由此,焊接不只是把铆钉省掉,而是材料选择、节点设计、设备和质量控制一起改变。
工厂、铁路运输和桥上安装
大桥由基辅钢结构设计单位、第聂伯罗彼得罗夫斯克金属结构厂、铁路部门的桥梁施工队、电焊研究所及市政建设管理机构合作完成。钢结构在1951年12月至1953年4月间集中制造,现场架设从1952年4月延续到1953年10月。把这段安装期称为整座桥的全部建设期,会抹去战前施工和战后重新设计。
工厂为大型构件设置专门车间、装配胎架和翻转设备,成品由铁路运往基辅。研究所人员培训施工队,让焊接作业贯穿全年,并组织检验和验收。桥上接头的自动焊接,使厂内形成的工艺能够延续到安装阶段;专门的检查人员则在施工过程中持续核对焊缝质量。
验收、开放与命名是三个步骤
工程接近完成时,莫斯科公路运输学院的实验室参与检查,桥梁随后接受静载和动载试验。1953年11月4日,政府委员会进行现场验收并审查技术文件;11月5日,乌克兰苏维埃社会主义共和国部长会议第2348号决议批准验收,安排当日开放交通。
大桥连接了基辅左右岸道路系统,也提供人行空间。正式命名发生在稍后:1953年12月18日,第2644号决议将其命名为帕顿桥。帕顿推动的成果,是把大跨度城市桥梁的设计、工厂生产与现场焊接联结起来;在它之前其他国家已有焊接桥梁,不能把这一成就简化为全球第一次在桥上使用焊接。
交通增长之后的维护问题
设计时考虑的交通量约为每日一万辆汽车,2013年的工程回顾已记为约八万辆。车辆增加之外,供热管线和不断增厚的路面也提高了恒载。1994至1998年,部分横梁与纵梁部位曾得到加固,说明桥梁的长期使用依赖持续改造,而非仅凭最初施工质量。
2021年发表的检测论文报告了2020年的主梁调查。抽样检查认为焊接接头总体质量良好,却在伸缩缝附近、积存杂物和含盐融雪水容易滞留处发现严重局部腐蚀;有些部位钢材厚度损失达四至五成,研究者要求紧急修复。检测又受到通道状态和可达范围限制。因此,焊缝经受住长期使用与整桥需要维修可以同时成立,历史工程成就不能代替日常养护。