El nuevo puente sobre la bahía de Cádiz tiene una longitud total de 3.092m y cruza la bahía desde la ciudad de Cádiz hasta la de Puerto Real. El puente principal es un puente atirantado con una luz de 540m, vanos de compensación de 200m y un gálibo de navegación de 69m.
Se han empleado diferentes procedimientos de construcción totalmente adaptados a las distintas tipologías empleadas y a su ubicación en mar o tierra. El puente atirantado principal se construyó por voladizos sucesivos con dovelas de 20m de longitud. El viaducto de acceso situado sobre el mar se construyó por medio de empuje desde el estribo del lado de Cádiz. El viaducto de acceso situado sobre tierra en el lado de Puerto Real se construyó vano a vano por medio de una cimbra aporticada. El tablero simplemente apoyado de 150m se izó desde ambas pilas con la ayuda de una barcaza.
The new bridge over Cadiz Bay has a total length of 3,092m and crosses from the city of Cadiz to Puerto Real. The main bridge is a cable stayed deck with a 540m. main span, 200m. approach span, and a vertical clearance for navigational purposes of 69m.
Different construction techniques have been employed, and have been adapted to the different bridge typologies, and to its location in the sea or on land. The cable stayed main bridge is being built using a free cantilever system with segments 20m long. The approach viaduct over the sea is being built by segments incrementally launched from Cadiz side. The approach viaduct on Puerto Real side is being built by span by span by means of a shoring framework. The simply supported 150m main span will be lifted from both piers with a barge.
El acceso a Cádiz desde el puente de Carranza o desde la autovía del Sur obligaba a atravesar toda la ciudad por la Av. de Andalucía hasta llegar al puerto y la ciudad vieja.
El tráfico viario se congestionaba en dicha avenida, cuando se podía circular por el puente de José León Carranza, atascado a su vez por el excesivo tráfico. Por esta razón las autoridades del Ministerio de Fomento quisieron cumplir la vieja pretensión de la ciudad de realizar un nuevo acceso que desde Puerto Real llegase a Cádiz de una manera directa, desembocando al otro lado de la Ciudad en la Av. de la Bahía, junto al puerto y la parte vieja de la ciudad (fig. 1).
El canal de navegación de la bahía situado junto al muelle de la Cabezuela, Puerto Real, tiene 400m de anchura y 14m de profundidad, gálibo que las autoridades portuarias extendieron hasta 540m para que no se ocupara la orilla del muelle de la Cabezuela, donde tenían que operar las grúas de servicio del puerto y para facilitar las maniobras de los barcos (fig. 2). Una de las pilas, la del Muelle de la Cabezuela, se desplazó del cantil 70m dentro del mismo para permitir las operaciones de las grúas de servicio de carga y descarga. Desde el punto de vista del gálibo vertical, las máximas pendientes compatibles con el tráfico viario y la distancia a la que el canal de navegación se encuentra de Cádiz hace que la calzada alcance la formidable cifra de 69m, uno de los puentes más altos del mundo.
No obstante, por insistencia de los astilleros Navantia, situados en el interior de la bahía, solicitaron un gálibo vertical libre de 100m con un gálibo horizontal de 140m. Para ello fue necesario proyectar un puente basculante de 185m de luz y 245m de longitud. El mayor de España en su tipo. Con posterioridad, este concepto se modificó por el de un tablero con posibilidad de ser desmontado ante la necesidad de paso de un artefacto excepcional. Este tramo desmontable está formado por un tablero simplemente apoyado de 150m de luz (fig. 1).
2Estudio de solucionesEn la figura 2 se representa la planta general de ubicación del puente donde se observa a la izquierda la ciudad de Cádiz, Puerto Real a la derecha y en medio la bahía. Se distinguen también dos trazados, el de abajo correspondiente al actual puente de Carranza y el nuevo, el superior que atraviesa Puerto Real, el muelle de la Cabezuela y desemboca en Cádiz junto al puerto. Cruza el canal de navegación, señalado en la figura con dos líneas blancas, que destaca 400m junto al muelle de la Cabezuela.
Salvar una bahía de aproximadamente 1.500m cruzada por un puente tiene muchas posibilidades; la tentación de hacer un puente atirantado de varios vanos es bastante grande. A fin de cuentas, sin otro dato, el mar es igual en todas partes lo que nos llevaría a las soluciones de la figura 3. Pero esta solución tiene varios inconvenientes.
El mar es igual superficialmente pero la profundidad varía de manera que solo en el canal de navegación tiene 14m, lo que permite el paso de grandes barcos. En el resto, la profundidad puede variar hasta los dos metros, por lo que solo es posible la navegación de pequeñas embarcaciones. De manera que el puente atirantado continuo de varios vanos responde más a una cuestión estética que a una razón funcional y constructiva. Es por tanto muy cara, por lo que fue desechada rápidamente. Las soluciones estaban abocadas al proyecto de un tramo único de más de 400m de luz sobre el canal de navegación y un viaducto de acceso de gran longitud.
Se planteó un arco con tablero inferior (fig. 4), construible en voladizos sucesivos atirantados desde dos torres metálicas situadas sobre las pilas que van a cimentar el puente. Esta solución es muy posible hoy en día, pero finalmente nos decidimos por una solución atirantada sobre el canal de navegación con sendos viaductos de acceso, uno viniendo de Puerto Real y otro desde Cádiz.
Realmente esta no es una solución deducida por eliminación de las anteriores; es una solución partida, como las que se utiliza normalmente para problemas similares, que sin duda es la más adecuada pero que no impide pensar en otras.
3Descripción y planteamiento generalEl puente, propiamente dicho, se puede dividir en cuatro tramos distintos dependiendo de sus diferentes características funcionales. Los cuatro tramos descritos están uno a continuación de otro, empezando por Cádiz y terminando por Puerto Real [1–4].
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Tramo viaducto de acceso del lado de Cádiz, corresponde al acceso al tramo principal, desde el lado de Cádiz; longitud 580m.
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Tramo desmontable; longitud 150m.
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Tramo puente principal, es el puente atirantado situado sobre el canal de navegación y sus compensaciones atirantadas; longitud 1.180m.
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Tramo viaducto de acceso del lado de Puerto Real, corresponde al acceso al tramo principal desde Puerto Real; longitud 1.182m.
La longitud total del puente es de 3.092m (fig. 5). Es uno de los puentes continuos de mayor longitud de España y uno de los mayores puentes del mundo (fig. 6).
El tramo principal corresponde al puente situado sobre el canal de navegación y constituye la razón de ser última del puente: proporcionar un nuevo acceso a Cádiz, saltando sobre el canal de navegación, principal entrada al puerto, sin que se produzcan interrupciones del tráfico rodado, como pasa en el puente de Carranza, que tiene que abrirse y cerrarse sucesivamente para permitir el tráfico de barcos. En este caso la interrupción sería mucho mayor dado que el tráfico de navíos es infinitamente más intenso.
Razón esta por la que el puente sobre la bahía de Cádiz, con sus 69m de gálibo vertical libre, es uno de los más altos del mundo. Mayor que todos los de Nueva York y San Francisco. Mayor que todos los europeos, los existentes en Portugal, Francia, Inglaterra y las grandes conexiones entre Suecia y Dinamarca, puente de Oresund y los que unen las islas de Dinamarca entre sí, Gran Belt y pequeño Belt.
Esta misma razón y las condiciones de maniobrabilidad de los barcos a la entrada al puerto, es lo que ha determinado que la autoridad portuaria solicitase una luz libre de obstáculos de 540m. Solicitud que ha sido cumplida.
La solución que la tecnología actual recomienda para un caso como este es la utilización de un puente atirantado, que desde torres de 180m de altura cuelgue, por medio de 176 tirantes, los 540m del vano principal y los 320m de cada uno de los dos vanos de compensación (figs. 6 y 7).
El tablero tiene 34,30m de anchura, correspondiente a cuatro carriles de circulación, dos en cada dirección de 3,5m de anchura, dos vías de tranvía y los arcenes, defensas, alojamiento de los tirantes y pantallas para proteger el tráfico del viento, necesarios para la perfecta funcionalidad del puente (fig. 8). La zona de vías del tranvía se ha dedicado provisionalmente a un carril bus, a la espera de la ejecución de dicho tranvía.
La estructura de este tablero debe ser ligera, aerodinámica y esbelta, por tanto de estructura mixta, acero y hormigón, de 3,00m de canto y bordes perfectamente perfilados (fig. 9).
Su construcción se realizó por avance en voladizo; el dintel se dividió en dovelas de 20m de longitud, que fueron montadas en el Muelle de la Cabezuela y se llevaron por flotación hasta el puente, donde fueron izadas por medio de carros-grúa móviles situados en la punta delantera de los voladizos.
Una vez izadas se procedió a su soldadura con el tramo ya construido y al atirantamiento desde la torre. Inmediatamente se continuó con el armado y el hormigonado de la losa superior y retesado de los tirantes (fig. 10).
4Viaducto de acceso al lado de Cádiz
Este acceso tiene 580m de longitud y está formado por un dintel de estructura mixta que salta sobre las pilas separadas entre sí 55+7×75m. El tablero tiene 3,00m de canto total con una losa de compresión de 30cm.
Se ha procurado en todo momento tener una sección muy perfilada y constante o casi constante a lo largo de todo el viaducto. Las almas centrales, por tener que deslizarse sobre los apoyos, se remetieron un poco hacia el interior (fig. 11).
Con el fin de optimizar la distribución de chapas, la sección metálica resistente es el cajón monocelular central, cumpliendo las chapas inclinadas una función exclusiva de carenado. La separación entre los diafragmas intermedios es de 5m. El proyecto de la losa de hormigón se ha realizado conservando el equilibrio entre la máxima prefabricación e industrialización y la reducción de su peso ya que se trata de una acción muy importante en este rango de luces. Con este criterio, las secciones de las zonas de centro de vano (50m centrales), las zonas entre almas y parte de los vuelos, la losa está formada por prelosas prefabricadas nervadas colaborantes, apoyadas entre diafragmas, en el que parte de la misma se hormigonaba en segunda fase. El resto de la sección se realizaba con losas nervadas hormigonadas in situ a partir de un encofrado perdido de chapa grecada (fig. 11). En las secciones de apoyo (25m), salvo en la zona de almas en la que fue necesario disponer de gran capacidad de conexión entre el hormigón y el acero, las losas eran, en su mayor parte nervadas.
El tablero se construyó por empujes sucesivos de solo la parte metálica. El empuje de los vanos de 75m se realizó con la ayuda de un atirantamiento provisional (fig. 12).
En la figura 13 se representa una fase de este empuje y la deformada del dintel cuando se activan los tirantes. En la figura 14 se ve el tablero durante el empuje. Una vez terminado el empuje se colocó la losa por medio de placas prefabricadas aligeradas.
La geometría de las pilas de este puente se obtiene a partir de una forma básica. La sección transversal de las mismas se genera con dos trapecios unidos por su base más ancha, manteniendo la longitud de las dos bases constantes y variando la altura de los trapecios a lo largo de todo el fuste de las pilas para variar el canto transversal a lo largo de la altura. De este modo, el canto longitudinal permanece constante y las superficies de la pila son alabeadas.
En la parte superior las pilas tienen una anchura constante para recoger el dintel (fig. 15) y varían hacia abajo sin más que mover la base pequeña del trapecio variando la altura del mismo, ganando canto transversal conforme más altas son las pilas, cuyas alturas varían desde 8,0m a 52,5m. Las dimensiones en la cimentación de la pila más alta son de 4,00×10,5m, este último valor se reduce a 4,2m en la cintura de la pila bajo el capitel. En la parte superior de este su dimensión es la del ancho del dintel que soporta, 10,5m. En el borde la pila tiene 2,9m.
Las cimentaciones de estas pilas son pilotadas; se utilizaron recintos metálicos para sujetarse a los pilotes previamente ejecutados. Se vertió a posteriori una capa de hormigón que impermeabilizaba el recinto, pudiendo a continuación proceder a armar y hormigonar el encepado en seco (fig. 16).
5Tramo desmontable
La presencia de este puente responde a una petición de los astilleros Navantia para permitir el paso de barcos de más de 69m de altura, máximo posible a cruzar bajo el puente principal. Esta coyuntura es muy poco probable y de realizarse, se hará muy pocas veces en la vida del puente.
La luz necesaria para el paso de los barcos de Navantia es de 150m, lo que determina que fuese necesario diseñar una viga que salvase esta luz y evolucionase desde la sección tipo ya descrita en el apartado 4. Por esta razón, el tramo desmontable comienza con la sección de 3,00m de canto de la sección tipo y la parte inferior se va bajando hasta que la viga alcanza los 8m (fig. 17). Este tramo de 4.000 t se prefabricó y se llevó por flotación hasta la vertical de su posición definitiva donde se izó hasta la cabeza de la pila (fig. 18).
6Tramo atirantado
Incluye los 1.180m de longitud correspondientes a 540m del vano central entre torres de atirantamiento, los dos vanos de compensación de 200m de luz cada uno y dos vanos más semiatirantados de 120m de luz cada uno. Para su construcción se han dividido en dovelas de 20m de longitud y 400 t de peso máximo.
La sección transversal es común a la del resto del puente con 34,30m de anchura y 3,00m de canto. Pero a lo largo del dintel hay que establecer una serie de diferencias en su morfología. Las dos almas centrales del cajón trapecial desaparecen en los 420m centrales del tramo principal quedándose en esta zona con solo las almas inclinadas laterales al cajón (fig. 19). El resto del puente, como en el caso de acceso desde Cádiz, tiene dos almas longitudinales centradas y dos laterales (fig. 20). La razón para estas eliminaciones es la no necesidad de recoger el cortante en ellos por su bajo valor y por el control que sobre la cuantía del cortante establecen los tirantes de cuelgue [5].
La distribución del hormigón en la losa superior varía de una a otra zona. Por ejemplo, todo el interior de la viga cajón se hormigona sobre las pilas contiguas a las torres en los vanos de compensación, en una longitud de 20m, para actuar como contrapeso del dintel central. Una segunda particularidad que existe es la doble acción mixta que se realiza a lo largo de 60m sobre cada torre de atirantamiento y en las pilas contiguas de los vanos de compensación de 85m en la pila de la bahía y 65m en la del muelle. Por otro lado, la losa superior de hormigón es de 30cm de espesor y está realizada «in situ» o prefabricada con aligeramientos de distinta cuantía.
Cada dovela de 20m está rigidizada transversalmente por 4 diafragmas separados 5m (figs. 19 y 20). En esa subdivisión, la distancia al borde libre de los diafragmas extremos es de 1,5m y 3,5m. Este hecho ha ocasionado la necesidad de un nuevo diafragma de cierre del borde en que la distancia al borde libre es de 3,5m, conveniente durante las operaciones de acoplamiento y soldadura de una dovela a otra para mantener la geometría del borde.
6.1Pilas y torres de atirantamientoLas pilas normales de este tramo tienen la misma forma y tipología que las de acceso a Cádiz, y en general que las del resto de pilas del puente. El diseño de las torres de atirantamiento es fundamental para el diseño general del mismo. Se empezó considerando una sola pila central tal y como aparece en la figura 3; esta pila era muy fácil de construir pero tenía un inconveniente importante, ensanchaba el dintel 4,00m a lo largo de unos 1.000m lo que suponía un sobrecoste considerable (fig. 21a).
Había que dejar que el dintel pasase recto y que la pila lo rodease; en estas circunstancias existían varias posibilidades de configuración de la pila desde el dintel hasta la cimentación, habida cuenta que desde el dintel hacia arriba la pila estaba definida con patas abiertas en la parte inferior y fuste único central para los tirantes en la parte superior.
Si se hubiese elegido que desde el dintel hacia la cimentación la pila prolongase su trazado por dos pilas verticales o inclinadas (fig. 21c), se producía un aspecto no deseado; las patas verticales eran evidentemente feas y las inclinadas rompían la idea general del proyecto de pilas, el de utilizar fustes únicos. Así pues, se optó por la forma de las torres de la figura 21b que cumplían ese requisito fundamental. La tracción que solicita al travesaño es bastante mayor si el fuste sube único hasta casi el dintel que si sube desdoblado en otros dos. Fue una decisión difícil pues los dos tipos de pilas cumplían bien todas las condiciones y finalmente se optó por el de la pila vertical única.
El diseño de las torres sigue el mismo principio que las pilas normales, aunque de dimensiones bastante mayores. En su contacto con la cimentación aparece el doble trapecio unido en la cara más ancha, pero con unas dimensiones en planta mucho mayores, 14,15×8,9m. La dimensión transversal disminuye hasta donde se produce la bifurcación de los dos trapecios de la base en las dos ramas que se abren para que pase el dintel y se cierren en la parte superior donde aparecen los tirantes (fig. 22).
En el interior de la parte superior de la pila se introduce «el armario» metálico (fig. 23) donde se establece el intercambio de tracciones entre los tirantes de uno y otro lado de la torre. Este «armario» recoge la componente horizontal y vertical de los tirantes y los va transmitiendo al hormigón de la pila por los conectadores presentes en las chapas.
En la figura 24 se representa el armado de la célula triangular de las torres, fuertemente solicitada por el esfuerzo axil que baja por la torre.
En la figura 25 se representan los 176 tirantes que sujetan el puente, cuyo número de cordones varía entre 75 ϕ 0,6″ en los 4 primeros tirantes, 31 ϕ 0,6″ en los siguientes tirantes verticales y 78 ϕ 0,6″ en los más inclinados. Tienen doble protección, cada cordón está autoprotegido mediante acero galvanizado y vaina individual. La vaina general tiene cordón helicoidal para controlar los efectos de inestabilidad aeroelástica provocados por la lluvia y viento. Todos los tirantes tienen amortiguadores en su contacto con el dintel, axiales para los más cortos y triaxiales para los demás [6].
6.2Construcción por avance en voladizo
La construcción en avance en voladizo se realiza con dovelas de 20m de largo y 34m de ancho, izando solo la parte metálica de la sección junto a una parte hormigonada en el borde para recoger la carga horizontal del tirante en el momento de colocarlo. Su peso fue de más de 400 t (fig. 26).
Aquí se plantean varios problemas resistentes que conviene citar. El primero es el tamaño de dovela elegido. En el cálculo del proyecto se había supuesto una dovela de 10m. Al decidirse por una de 20m, una vez construidas las torres, el coeficiente de seguridad de la resistencia de las torres principales se redujo considerablemente, aunque siempre se mantuvo dentro de márgenes admisibles.
Lo cierto es que los momentos flectores en la base de la pila durante el montaje eran muy importantes, hasta el extremo que la construcción se realizó desfasando el tamaño de las dovelas, de manera que solo la mitad de la longitud estaba en desequilibrio entre uno y otro voladizo. Habría sido casi imposible hacer dovelas más grandes, pues la base de la torre podía fallar por el desequilibrio de solicitaciones en uno y otro borde del puente. Conforme el voladizo por un lado era mayor respecto del otro, el coeficiente de seguridad de la resistencia de la pila disminuía, máxime cuando a este desequilibrio de cargas se le añadía el viento. Además, se consideró la caída accidental de dovela durante el izado.
En la figura 27 se representan las deformaciones de las dovelas extremas durante el ciclo de colocación de una dovela.
El máximo desequilibrio se produjo cuando el voladizo libre era de 218,5m hacia el centro del vano principal y 198,0m en el vano de compensación. A partir de este momento uno de los voladizos se apoyaba en una pila lateral y las deformaciones y desequilibrio se reducían drásticamente. En la figura 28 se representan las deformadas de un semipuente cuando los dos voladizos están libres y cuando se encuentra apoyado en las pilas del vano de compensación.
Este hecho es característico de los diseños de puentes con vanos de compensación muy grandes, como en este caso de 200m. Si se hubiese ido a vanos de compensación normales de 75m, no solo se habría aumentado la rigidez del vano principal sino que además este fenómeno habría perdido importancia. No obstante, se ha preferido diseñar lo diseñado.
Para terminar la construcción del tablero fue necesario proyectar tres operaciones de cierre definitivas: la unión de los dos voladizos en el centro del puente, el apoyo del voladizo trasero de la torre de la bahía en la pila del tramo desmontable y la unión del voladizo de la torre del muelle con el tramo de Puerto Real.
Aunque muy importantes, se hicieron con mucha facilidad pues una de las tareas importantes a realizar durante la construcción ha sido el control de flechas en el momento de poner la dovela correspondiente y la comprobación de la geometría del puente en todas las fases. El apoyo en la pila del tramo desmontable se hizo sin dificultad. En el centro del puente se dejó una dovela de 75cm para cerrar la separación. Su posición estaba muy bien controlada por el ajuste de cargas en tirantes y se realizó un desplazamiento longitudinal del tablero de 15cm para facilitar las operaciones de soldeo en clave.
La unión del tramo mixto procedente de la estructura atirantada con el tramo de hormigón de Puerto Real, aunque no tuvo más dificultades, sí hubo que resolver primero la perfecta transmisión de esfuerzos entre ambas (ver apartado 7.1).
7Viaducto de acceso al lado de Puerto RealEste tramo tiene 1.182m de longitud y está compuesto por luces decrecientes, ya que la altura de las pilas se reduce con la pendiente del viaducto, que es del 5%. Razón esta por la cual la sección cambia, aunque deduciéndose de la sección tipo de 75m. Así, la distribución de luces es de 4×75+68+4×62+54+12×40+32,0m.
Pero en este tramo se producen una serie de cambios respecto al tablero tipo. Primero, todo él es de hormigón pretensado, aunque manteniendo la misma sección transversal del resto del puente (fig. 29).
Segundo, la pila debe cambiar de forma pues por exigencia de la vialidad en el polígono industrial de Puerto Real no puede existir pila en el centro; por allí transita una calzada, lo que obligó a diseñar una pila (fig. 30), que se deduce de la pila tipo sin más que abrir en los dos trapecios que configuran la sección tipo y separarlos para dejar paso a la calle central. El quiebro que se origina en la parte superior es para apoyar el dintel adecuadamente.
Mientras el tablero superior tiene una luz igual o superior a 62m este no varía en forma. En el vano de 54m, que es el vano de transición al de 40m, se produce una variación del canto de 3m a 2m sin más que subir la losa inferior del cajón tipo 1m. A partir de ese punto, la sección transversal de 2,00m de canto se prolonga hasta el estribo, eso sí, cambiando el aligeramiento interior del cajón a seudocírculos (fig. 31).
Para la realización de este tramo hay que separar la construcción de la zona de baja altura y 40m de luz, que se realiza con cimbra tradicional hasta el suelo y la construcción de la zona con viga cajón, que se realiza subdividiendo la sección en dos partes (fig. 32).
Por un lado, se ejecuta el cajón central formado por las dos almas centrales de la sección, la losa superior e inferior entre ellos y un pequeño voladizo lateral; por otro lado y en segunda fase, el resto de las zonas laterales. La capacidad resistente del tablero se le confiere a este cajón central mientras que las inclinadas sirven para resistir la sección transversal.
El cajón central se realizó sobre cimbra apoyada en puntales intermedios (fig. 33a). Una vez pretensado, un carro superior completó el ancho total del tablero (fig. 33b) deslizándose sobre el cajón central.
7.1Conexión del viaducto de hormigón de acceso al lado de Puerto Real con el tramo metálico que continúa el tramo atirantado
La conexión se realiza en el segundo vano de compensación de 120m de luz, a 18,75m de la segunda pila de dicho vano. Para ello, se fabricó una dovela especial de 10,25m de longitud, que se introdujo 5m en el hormigón pretensado del viaducto y se colocó antes del hormigonado de esta. Habida cuenta que en esos 5m se dispone el conjunto de conectadores capaces de transmitir los esfuerzos que provienen de la parte metálica al hormigón y viceversa, la unión queda perfecta.
Las dos almas metálicas intermedias se conectan a las de hormigón por pretensado, después de dejar los ensanchamientos correspondientes en las almas de hormigón para la colocación de las vainas del mismo.
Todo esto se realiza antes de la llegada de la dovela metálica proveniente del tramo atirantado; así, la unión entre ambos tramos se realiza como cualquier unión metálica, ayudándose de un pequeño carrete de 50cm para ajustar los bordes entre una y otra dovela (fig. 34).
