concept refinement report

110
St. Croix River Crossing Preliminary Engineering Concept  Refinement Report Prepared for: Minnesota Department  of  Transportation and Wisconsin Department  of  Transportation Prepared by: Parsons Brinckerhoff  June 2010 

Upload: kfdani

Post on 03-Jun-2018

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 1/110

 

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept Refinement Report 

Prepared for: 

Minnesota Department of  Transportation and 

Wisconsin Department of  Transportation 

Prepared by: 

Parsons Brinckerhoff  

June 2010 

Page 2: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 2/110

Page 3: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 3/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  i 

Table of  Contents 

1  Executive Summary .......................................................................................................................  1‐1 

1.1  Pier Configuration ............................................................................................................  1‐1 

1.2  Box Girder Configuration .................................................................................................  1‐2 

1.3  Pedestrian Trail Location .................................................................................................  1‐2 

1.4 

Cable Anchorage

 Details

 ..................................................................................................

 1‐2 

1.5  Approach and Ramps Span Arrangement ........................................................................  1‐2 

1.6  Approach and Ramps Columns ........................................................................................  1‐3 

1.7  Bridge Lighting .................................................................................................................  1‐3 

2  Introduction ..................................................................................................................................  2‐1 

2.1  Project Description ..........................................................................................................  2‐1 

2.1.1  Proposed River Crossing Description ...............................................................................  2‐1 

2.2  Report Purpose and Objective .........................................................................................  2‐2 

2.3  St. Croix River Crossing Development ..............................................................................  2‐3 

2.4  General Definition of  an Extradosed Bridge ....................................................................  2‐4 

3  Acknowledgement of  Commitments ............................................................................................  3‐1 

3.1 

Reference Documents

 .....................................................................................................

 3‐1 

3.2  Commitments ..................................................................................................................  3‐1 

4  Risk Evaluation ..............................................................................................................................  4‐1 

4.1  Risk Matrix and Summary ................................................................................................  4‐1 

4.2  Investigation and Evaluation of  Risk Factors ...................................................................  4‐2 

4.2.1  Structural Analysis ...........................................................................................................  4‐2 

4.2.2  Bridge Lighting and Signing ..............................................................................................  4‐3 

4.2.3  Visual Quality ...................................................................................................................  4‐4 

4.2.4  Construction.....................................................................................................................  4‐5 

4.2.5  Maintenance and Inspection ...........................................................................................  4‐6 

5  Division I Structural Analysis .........................................................................................................  5‐1 

5.1 

Introduction .....................................................................................................................

 5‐1 

5.2  Objectives ........................................................................................................................  5‐1 

5.3  Base Modeling .................................................................................................................  5‐2 

5.4  Longitudinal Analysis .......................................................................................................  5‐2 

5.5  Transverse Analysis ..........................................................................................................  5‐4 

5.6  Superstructure Cross‐section Investigation .....................................................................  5‐5 

5.7  Inboard Pedestrian Trail ..................................................................................................  5‐6 

5.8  Box Girder Depth .............................................................................................................  5‐7 

5.9  Single Box Girder Feasibility .............................................................................................  5‐8 

5.10  Transverse Diaphragm investigation ...............................................................................  5‐9 

5.11  Pier Investigation .............................................................................................................  5‐9 

5.12 

Fixity/Longitudinal Movement

 Investigation

 .................................................................

 5‐12

 5.13  Grade Induced Movement Investigation .......................................................................  5‐13 

5.14  Two Box Girder Load Distribution Investigation ............................................................  5‐13 

5.15  Wind Load—Vibration Analysis Investigation ................................................................  5‐15 

5.15.1  Back span Uplift/Maximum Back span Length Investigation.........................................  5‐17 

5.16  Extradosed Stay Cable Analysis ......................................................................................  5‐17 

5.17  Points of  Interest—Local Analysis ..................................................................................  5‐19 

Page 4: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 4/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

ii  June 2010 

6  Division II Structural Analysis .......................................................................................................  6‐1 

6.1  Introduction and Objectives ............................................................................................  6‐1 

6.1.1  Box Girder Width Transition Investigation ......................................................................  6‐1 

6.1.2  Box Girder Depth Economy Investigation .......................................................................  6‐1 

6.1.3  Fixity/Longitudinal Movement Investigation ..................................................................  6‐2 

6.1.4  Grade Induced Movement Investigation ........................................................................  6‐2 

6.1.5  Box Girder Depth Transition Investigation ......................................................................  6‐2 

6.2  Investigation Methods: Longitudinal Analysis.................................................................  6‐2 

6.3  Baseline Model Description .............................................................................................  6‐4 

6.3.1  Piers .................................................................................................................................  6‐4 

6.3.2  Box Girders ......................................................................................................................  6‐6 

6.3.3  Transition Span ................................................................................................................  6‐7 

6.3.4  Pedestrian Trail ................................................................................................................  6‐7 

6.4  Alternative R1 Investigation ..........................................................................................  6‐10 

6.4.1  Grade‐Induced Movement Investigations .....................................................................  6‐15 

7  Bridge Lighting and Signing ..........................................................................................................  7‐1 

7.1  Review of  Requirements for Architectural and Roadway Lighting .................................  7‐1 

7.2 

Lighting Criteria

 ...............................................................................................................

 7‐1 

7.3  Lighting Alternatives Analysis ..........................................................................................  7‐5 

7.3.1  Source Selection ..............................................................................................................  7‐5 

7.4  Architectural Lighting ....................................................................................................  7‐11 

7.4.1  Option 1A ......................................................................................................................  7‐12 

7.4.2  Option 2A ......................................................................................................................  7‐13 

7.4.3  Option 2AA ....................................................................................................................  7‐14 

7.4.4  Option 3 .........................................................................................................................  7‐15 

7.4.5  Option 4 .........................................................................................................................  7‐16 

7.4.6  Preferred Option ...........................................................................................................  7‐16 

7.5  Roadway Lighting ..........................................................................................................  7‐17 

7.6 

Loop Trail

 Lighting

 .........................................................................................................

 7‐18

 

7.7  Navigation and Obstruction Lighting .............................................................................  7‐18 

7.8  Light Trespass / Glare / Environmental Impacts ...........................................................  7‐18 

7.9  System Maintenance .....................................................................................................  7‐19 

7.10  Box Section Inspection Lighting .....................................................................................  7‐19 

7.11  Signing ...........................................................................................................................  7‐20 

7.11.1  Review of  the Visual Quality Manual ............................................................................  7‐20 

7.11.2  Additional Concept Refinements ..................................................................................  7‐20 

8  Visual Quality ................................................................................................................................  8‐1 

8.1  Introduction .....................................................................................................................  8‐1 

8.2  Objectives ........................................................................................................................  8‐2 

8.3 

Refinement Process

 .........................................................................................................

 8‐2 

9  Construction .................................................................................................................................  9‐1 

9.1  Introduction .....................................................................................................................  9‐1 

9.2  Construction Staging Areas .............................................................................................  9‐1 

9.3  Casting Yard .....................................................................................................................  9‐1 

9.4  Precast vs. Cast‐in‐place Construction ............................................................................  9‐1 

9.4.1  Precast Construction .......................................................................................................  9‐2 

9.4.2  Cast‐in‐ Place Construction .............................................................................................  9‐3 

Page 5: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 5/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  iii 

9.5  Permitting Requirements .................................................................................................  9‐3 

9.6  Erosion Control and Environmental Compliance .............................................................  9‐4 

9.7  Foundation Construction Methods ..................................................................................  9‐4 

9.8  Substructure Pier and Tower Construction .....................................................................  9‐5 

9.9  Reinforcing steel arrangements congestion and detailing ..............................................  9‐5 

9.10  Post‐tensioning tendons and grouting ............................................................................  9‐6 

9.11  Stay Installation ...............................................................................................................  9‐6 

9.12  Special architectural forming and finishing .....................................................................  9‐6 

9.13  Industry forum .................................................................................................................  9‐7 

10  Maintenance and Inspection ......................................................................................................  10‐1 

10.1  Introduction ...................................................................................................................  10‐1 

10.2  Critical Elements ............................................................................................................  10‐1 

List  of  Figures 

Figure 4‐1. Risk Assessment ................................................................................................................  4‐1 

Figure 5‐1.

 Stick

 (top)

 and

 Rendered

 (bottom)

 Isometric

 View

 of 

 Global

 Model

 ...............................

 5‐2 

Figure 5‐2. Rendered Isometric View of  Global Model Showing Construction Sequence ..................  5‐3 

Figure 5‐3. Box Girder Stress along Length of  Bridge ..........................................................................  5‐4 

Figure 5‐4. Transverse Framing at Cable Connection ..........................................................................  5‐5 

Figure 5‐5. Baseline Box Girder Superstructure ..................................................................................  5‐6 

Figure 5‐6. Proposed Box Girder Showing the Reduced Depth and Integrated Pedestrian Trail ....... 5‐7 

Figure 5‐7. Typical Sections .................................................................................................................  5‐9 

Figure 5‐8. VQM Baseline Pier Configuration ....................................................................................  5‐10 

Figure 5‐9. Proposed Pier Configuration ...........................................................................................  5‐12 

Figure 

5‐

10. 

Deflected 

Pier 

Shape 

..................................................................................................... 

5‐

13 

Figure 5‐11. Superstructure between Cable Supports ......................................................................  5‐14 

Figure 5‐12. Transverse Analysis .......................................................................................................  5‐14 

Figure 5‐13. Closure Pour Detail ........................................................................................................  5‐15 

Figure 5‐14. Mode Shapes from the Eigenvalue Dynamic Analysis ..................................................  5‐16 

Figure 5‐15. Extradosed Stay Cable Configuration ............................................................................  5‐18 

Figure 5‐16. Live Load Stress Range ..................................................................................................  5‐19 

Figure 5‐17. Local Model of  Integral Pier (Bottom View) ..................................................................  5‐20 

Figure 5‐18. Local Model of  Integral Pier (Top View) ........................................................................  5‐20 

Figure 5‐19. Pier Cross Girder Interface Model .................................................................................  5‐21 

Figure 5‐20. Pier 8 Elevation Showing Widened Superstructure and Full Super Elevation .............. 5‐22 

Figure 5‐21. Span 8 Typical Section ...................................................................................................  5‐23 

Figure 5‐22. Isometric View of  Precast Truss ....................................................................................  5‐23 

Figure 5‐23. Isometric View of  3D Analysis .......................................................................................  5‐24 

Figure 6‐2. Detail of  Segments on Pier and Accurate Section Property Input ....................................  6‐3 

Page 6: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 6/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

iv  June 2010 

Figure 6‐1. Balanced Cantilever Construction Method (Modeling of  Construction Stage 6, 

Bridge 82048) .....................................................................................................................  6‐3 

Figure 6‐3. Stress Output Checked at 10 Locations in the Cross‐section ...........................................  6‐4 

Figure 6‐4. Pier 1 on TH 36 (Bridge No. 82045) ..................................................................................  6‐5 

Figure 6‐5. Typical Pier on TH 36 Approaches (Others Similar) ..........................................................  6‐6 

Figure 6‐6.

 Baseline

 Approach

 Box

 Girders.........................................................................................

 6‐7 

Figure 6‐7. Baseline Model 82045E‐r0A, Bridge 82045 EB (EB TH 36) ...............................................  6‐8 

Figure 6‐8. Plan and Elevation of  Baseline Model, Bridge 82045 EB (EB TH 36) ................................  6‐8 

Figure 6‐10. Model 82045E‐r1A—Double‐stem Columns in Alternative R1 Span Arrangement ..... 6‐11 

Figure 6‐9. Plan and Elevation of  Alternative “R1” Models for EB and WB TH 36. ..........................  6‐11 

Figure 6‐11. Model 82045E‐r1B—Single‐stem Columns in Alternative R1 Span Arrangement ....... 6‐12 

Figure 6‐12. Plan and Elevation of  Model 82045W‐r1B—WB TH 36 with Single‐stem Columns 

in Alternative R1 Span Arrangement ................................................................................  6‐12 

Figure 6‐13. Bridge No. 82047 (NE Ramp) Stick Model and Rendered Model .................................  6‐13 

Figure 6‐14.

 Bridge

 No.

 82047

 Rendered

 Plan

 and

 Elevation

 from

 Structural

 Model

 with

 Details ...............................................................................................................................  6‐13 

Figure 6‐15. Bridge No. 82048 (SE Ramp) Stick Model (Left) and Rendered Sectional Model 

(Right) ...............................................................................................................................  6‐14 

Figure 6‐16. Bridge No. 82048 (SE Ramp) Plan and Elevation View of  Rendered Model .................  6‐14 

Figure 6‐17. Models Used in Investigating Grade‐induced Deflection .............................................  6‐15 

Figure 7‐1. Typical LED ........................................................................................................................  7‐6 

Figure 7‐2. Schematic of  LED Operation .............................................................................................  7‐6 

Figure 7‐3. Typical Representative Spatial Radiation Pattern for White Lambertian .........................  7‐8 

Figure 7‐4. Typical Polar Radiation Pattern for White Lambertian .....................................................  7‐8 

Figure 7‐5.

 Typical

 Luminous

 Flux

 .......................................................................................................

 7‐9 

Figure 7‐6. Typical Light Output Characteristics Over Temperature (Cool‐White at Test 

Current) ............................................................................................................................  7‐10 

Figure 7‐7. Typical Lumen Maintenance Values for Various Light Sources ......................................  7‐11 

Figure 7‐8. Base Architectural Lighting Option .................................................................................  7‐11 

Figure 7‐9. Lighting Option 1a ...........................................................................................................  7‐12 

Figure 7‐10. Lighting Option 1b ........................................................................................................  7‐12 

Figure 7‐11. Lighting Option 2a .........................................................................................................  7‐13 

Figure 7‐12. Lighting Option 2b ........................................................................................................  7‐13 

Figure 

7‐

13. 

Lighting 

Option 

2aa 

....................................................................................................... 

7‐

14 

Figure 7‐14. Lighting Option 2bb ......................................................................................................  7‐14 

Figure 7‐15. Lighting Option 3 ..........................................................................................................  7‐15 

Figure 7‐16. Lighting Option 4a .........................................................................................................  7‐16 

Figure 7‐17. Lighting Option 4b ........................................................................................................  7‐16 

Figure 7‐18. Preferred Option—View from Sunnyside Marina ........................................................  7‐16 

Figure 7‐19. Preferred Option—View from Stillwater ......................................................................  7‐16 

Page 7: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 7/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  v 

Figure 7‐20. Preferred Option—View Looking North ........................................................................  7‐17 

Figure 7‐21. Roadway Lighting ..........................................................................................................  7‐17 

Figure 7‐22. Loop Trail Lighting Using Linear Luminaires ..................................................................  7‐18 

Figure 7‐23. Navigation and Obstruction Lights ................................................................................  7‐18 

Figure 7‐24. LED Utility Light .............................................................................................................  7‐19 

Figure 7‐25. Typical Inspection Lighting ............................................................................................  7‐20 

Figure 8‐1. Section View Illustrates Curved Outside Edges of  Cross Girder ........................................  8‐3 

Figure 8‐2. Tangent Segments Have Been Introduced Along Vertical Faces of  Tower Forms 

for Ease of  Construction ......................................................................................................  8‐4 

Figure 8‐3. View along pedestrian trail located inside of  tower line ..................................................  8‐5 

Figure 8‐4. Section view of  trail located on north edge along west bound travel lanes .....................  8‐6 

Figure 8‐5. Typical Pedestrian Overlook outside of  tower on north elevation of  bridge ...................  8‐7 

Figure 8‐6. View of  underside of  Pedestrian overlook surrounding tower .........................................  8‐7 

Figure 8‐7. Higher curb height with 6” vertical picket spacing and integral LED light fixtures 

incorporated into

 post

 on

 pedestrian

 hand

 railing.

 ............................................................

 8‐8 

Figure 8‐8. North elevation view of  structure with covered cable connections .................................  8‐9 

Figure 8‐10. View of  Battered Abutment (Left) and Typical Single Stem Pier (Right) along 

Minnesota Approach ........................................................................................................  8‐10 

Figure 8‐9. Enlarged view of  covered cable connections ..................................................................  8‐10 

List  of  Tables 

Table 4‐1. Summary of  Risk Assessment .............................................................................................  4‐2 

Table 5‐1. Box Girder Depth Cost Comparison ....................................................................................  5‐8 

Table 6‐1.

 Baseline

 Span

 Arrangement

 ...............................................................................................

 6‐9 

Table 6‐2. Span Arrangement “R1” ...................................................................................................  6‐10 

Table 6‐3. Grade‐induced Movement Results ...................................................................................  6‐15 

Table 7‐1. Illuminance Levels for Floodlighting Buildings and Monuments ........................................  7‐2 

Table 7‐2. Illuminance Method—Recommended Values ...................................................................  7‐2 

Table 7‐3. Luminance Method—Recommended Values .....................................................................  7‐3 

Table 7‐4. Illuminance and Luminance Design Values (English) ..........................................................  7‐4 

Table 7‐5. Recommended Illumination (Values in lux) .......................................................................  7‐5 

Table 7‐6. Flux Characteristics for LUXEON K2 with TFFC Junction and Case Temperature = 

25C .....................................................................................................................................  7‐9 

Page 8: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 8/110

Page 9: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 9/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  i 

 Acronyms and  Abbreviations 

2D  two dimensional 

3D  three dimensional 

AASHTO  American Association of  State Highway and Transportation Officials 

ASBI  American Segmental Bridge Institute 

avg  average 

BMP  best management practice(s) 

cd/m2  candelas per square meter 

CSL  Crosshole sonic logging 

cy  cubic yards 

DB  design build 

EB  eastbound 

EoR  engineer of  record 

f’c  Concrete 28‐day compressive strength 

fc 

Footcandles 

FEIS  Final Environmental Impact Statement 

FGUTS  Prestressing strand guaranteed ultimate tensile strength 

FHWA  Federal Highway Administration 

f pu  Prestressing strand specified ultimate tensile strength 

ft  feet 

I  severity of  impact 

IES  Illuminating Engineering Society 

IESNA  Illuminating Engineering Society of  North America 

InGaN 

indium 

gallium 

nitride 

kips  thousand pounds 

ksi  thousands of  pounds per square inch 

LED  light emitting diode 

Lpile   A Program for the Analysis of Piles and Drilled Shafts Under Lateral Loads 

LRFD  Load and Resistance Factor Design 

lux  SI unit of illuminance and luminous emittance 

mA  milliamps 

max  maximum 

min  minimum 

Mn/DOT  Minnesota Department of  Transportation 

NDE  Nondestructive evaluation 

NE  northeast 

P  probability of  occurrence 

PB  Parsons Brinckerhoff  (PB Americas, Inc.) 

PGL  Profile grade line 

Page 10: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 10/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

ii  June 2010 

PTI  Post‐Tensioning Institute 

RFP  request for proposal 

RGB  Red green blue color model 

SE  southeast 

sf   square feet 

SFEIS  Supplemental Final Environmental Impact Statement 

Tj   junction temperature 

UP R/R  Union Pacific Railroad 

USCG  U.S. Coast Guard 

UV  ultraviolet 

VE  value engineering 

VQAC  Visual Quality Advisory Committee 

VQM  Visual  Quality  Manual  VQRC  Visual Quality Review Committee 

WB 

westbound 

WisDOT  Wisconsin Department of  Transportation 

Certification 

I hereby certify that this report was prepared by me or under my direct supervision, 

and that I am a duly Licensed Professional Engineer under the laws of  the State of  

Minnesota. 

Paul J. Towell 

PE No. 42965 

June 30, 2010 

Page 11: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 11/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  1‐1 

1  Executive Summary 

This Concept Refinement Report has been developed by Parsons Brinckerhoff  (PB), 

under contract with the Minnesota Department of  Transportation (Mn/DOT). PB is 

providing concept design and associated services for the proposed new St. Croix 

River 

Crossing 

that 

is 

within 

the 

overall 

St. 

Croix 

River 

Crossing 

Project. 

These 

services are part of  the Preferred Alternative Package for the St. Croix River Crossing 

Project as documented in the 2006 Supplemental Final Environmental Impact 

Statement (SFEIS). 

The purpose of  the report is to document the results of  investigations of  the 

following aspects of  the bridge: 

  Structural Analysis 

  Bridge Lighting and Signing 

  Visual Quality 

  Construction 

  Maintenance and

 Inspection

 

The report separates the structural analysis portion of  the study into two divisions. 

Division I is for the extradosed portion of  Bridge 82045, and Division II is for the 

approach spans of  Bridge 82045 and the ramps designated Bridges 82047 and 

82048. The other areas of  study are reported in combined sections that cover both 

divisions. 

The starting point for the concept refinement is the concept design presented in the 

Visual  Quality  Manual  (VQM). This concept is based on the use of  concrete 

segmental bridges for the mainline and ramp structures. In addition, the river 

crossing portion of  the mainline structure is an extradosed bridge with short towers 

above the

 roadway

 and

 cable

 support

 of 

 the

 girder.

 The

 objective

 of 

 the

 concept

 

refinement effort is to confirm the feasibility of  the VQM concept and to develop 

and refine the concept prior to advertising for final design and construction. A key 

component of  the concept refinement effort was coordination with the Visual 

Quality Advisory Committee (VQAC). Meetings with the committee, consisting of  a 

subset of  the stakeholder groups involved in the SFEIS process, were used to present 

and discuss proposed concept refinements. Based on the results of  the various 

studies undertaken, and input from the committee, a number of  refinements were 

incorporated. 

A summary of  the results of  the concept refinement effort are as follows: 

1.1  Pier Configuration 

The VQM concept three‐column pier with a center column under the box girder 

girders was revised to a two‐column pier by eliminating the center column. 

Structural analysis determined that the center column was not necessary, and with 

post‐tensioning the cross girder between the two columns had sufficient strength to 

support the box girders. From a visual quality aspect, the removal of  the center 

Page 12: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 12/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

1‐2  June 2010 

column had been the desire of  the Visual Quality Review Committee during the 

development of  the VQM, but structural feasibility needed to be confirmed before 

this goal could be attained. In addition the form of  the pier columns was refined to 

improve constructability. 

1.2  Box Girder

 Configuration

 

Two box girder configurations were studied for the roadway deck, a two‐box girder 

configuration as shown in the VQM, and a one‐box girder configuration. Structural 

analysis and constructability studies determined that both configurations were 

viable. 

1.3  Pedestrian Trail Location 

The VQM concept with the pedestrian trail outboard of  the box girders and passing 

around the north pier column was revised to an inboard configuration with the 

pedestrian trail located on the box girder and passing inside of  the north pier 

column. This

 configuration

 was

 a recommendation

 of 

 the

 CRAVE

 Study

 completed

 in

 November 2008. Various studies confirmed that this arrangement was similar in cost 

to the concept, but with the benefit of  improved constructability and long‐term 

durability. With the trail located inboard of  the column, pedestrian overlooks were 

at the piers to permit people to stop and view the scenic river while removed from 

through bicycle traffic. After review by the VQAC, it was determined that three 

overlooks located at alternating piers within the river would be appropriate. 

1.4  Cable  Anchorage Details 

The VQM concept with the anchorages exposed along the side of  the box girders 

was revised to cover the side face of  the anchorages providing a smooth line along 

the roadway edge. This was a recommendation of  Sumitomo Mitsui Construction 

Co., Ltd., the technical advisor for the project. The saw tooth appearance of  the 

exposed anchorages did not seem to be in harmony with the smooth curving forms 

of  the bridge. Visually the covered anchorage gives the bridge a much cleaner 

appearance and the added vertical face provides additional protection from the 

elements for the cable anchorage. 

1.5   Approach and Ramps Span  Arrangement  

The VQM concept assumed typical spans of  approximately 300 feet for the 

Minnesota approach spans and ramps to minimize the number of  piers at the 

approach spans

 that

 extend

 from

 the

 bluff 

 toward

 the

 shoreline

 in

 Minnesota.

 The

 

approach spans and two ramp structures cross four wetland areas, with the primary 

impacts from construction in Basin Q  and Basin Q  Forested. The 300‐foot span 

arrangement proposed in the concept design would have required extensive 

falsework. To reduce the impacts from construction on falsework, an alternate span 

arrangement was developed that permitted a greater amount of  balanced cantilever 

segmental construction and reduced the wetland impacts. The long spans proposed 

Page 13: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 13/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  1‐3 

in the concept design are not conducive to segmental construction, specifically at 

spans adjacent to expansion  joints and at bridge sections that vary in width. Both of  

these conditions occur over the Basin Q  wetlands. 

1.6   Approach and Ramps Columns 

The VQM

 concept

 has

 twin

 stem

 piers

 with

 a 10

‐foot

 space

 between

 the

 stems.

 

Visually the piers had a heavy look and structurally the piers stiffness could not be 

reduced without the stems becoming overly slender. To resolve these issues, an 

alternate twin stem arrangement with a 5‐foot space between the stems and a 

single stem pier were studied. The structural results proved that the single stem pier 

was feasible and based on review by the VQAC, the single stem pier was selected. In 

addition to structural and aesthetic benefits, the single stem column is more 

economical and improves constructability. 

1.7  Bridge Lighting 

Bridge lighting

 studies

 were

 performed

 for

 both

 functional

 lighting

 and

 architectural

 lighting. Functional lighting consists of  roadway lighting, pedestrian trail lighting, 

aerial obstruction lighting, and navigation lighting. In addition a number of  options 

for architectural lighting were added to the functional lighting in photo visualizations 

for review by the VQAC. Based on input from the VQAC it was determined that lower 

lighting levels were preferred, and the proposed architectural lighting is limited to 

lighting of  the pier columns below the roadway. In combination with the roadway 

and trail lighting, which provide low levels of  light on the cables and columns above 

the roadway, the desired effect is achieved. 

This concept refinement report is not a final engineering report, and it is anticipated 

that final

 design

 will

 be

 performed

 by

 others

 under

 a separate

 contract.

 

Page 14: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 14/110

Page 15: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 15/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  2‐1 

2  Introduction 

2.1  Project  Description 

This Concept Refinement Report has been developed by PB, under contract with the 

MnDOT. PB will provide concept design and associated services for the proposed 

new St.

 Croix

 River

 Crossing

 that

 is

 within

 the

 overall

 St.

 Croix

 River

 Crossing

 Project:

 

Minnesota S.P. 8214‐114, S.P. 8214‐(82045), S.P. 8214‐(82047), S.P. 8214‐(82048) 

and Wisconsin Project I.D. 1550‐00‐02. The overall St. Croix River Crossing Project 

termini are along TH 36/STH 64 from TH 5 in Minnesota to 150th

 Avenue in 

Wisconsin. These services are part of  the Preferred Alternative Package for the St. 

Croix River Crossing Project as documented in the 2006 SFEIS. 

2.1.1  Proposed River Crossing Description 

The proposed St. Croix River Crossing is comprised of  three separate bridges that are 

identified as MnDOT Bridge Nos. 82045, 82047, and 82048. 

The alignment

 of 

 the

 bridge

 follows

 a horizontally

 curved

 extension

 of 

 the

 TH

 36

 

alignment that will pass  just to the south of  the Oak Park Heights water treatment 

plant and north of  the King Power Plant. The alignment continues on a tangent 

across and approximately perpendicular to the river intersecting the bluffs in 

Wisconsin, and continuing on to new alignment for STH 64. The bridge approach 

spans, which extend from the Minnesota bluff  to the river cross both high quality 

wooded wetlands adjacent to the river and lower quality wetlands inland from the 

river. An eastbound entrance ramp structure and westbound exit ramp structure 

connect TH 36 to TH 95 in Minnesota. 

Requirements for these bridges have been developed and are documented in two 

reports, the

 2006

 SFEIS,

 and

 the

 VQM

 (January

 2007).

 

Those requirements are summarized as follows: 

  The extradosed river spans will have no more than 6 piers in the water. 

  The extradosed towers vary in height from approximately 220 feet on the 

Wisconsin side to approximately 170 feet on the Minnesota side (tower heights 

are above normal pool elevation and include approximately 60 feet of  tower 

above the deck). 

  The extradosed span lengths are approximately 480 feet and the backspans 

approximately 290 feet. 

  The extradosed typical section consists of  two 12 foot lanes in each direction, 6 

foot inside

 shoulders,

 10

 foot

 outside

 shoulders,

 and

 a 12

 foot

 sidewalk

 on

 the

 

north side of  the bridge. 

  Aesthetics, landscaping, and context sensitive designs are in the VQM. 

Page 16: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 16/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

2‐2  June 2010 

Mn/DOT Bridge 82045 (WisDOT Bridge B-55-224) (Mainline TH 36 and 

STH 64) 

Bridge No. 82045 spans Minnesota TH 95, the Union Pacific Railroad(UP R/R), 

wetlands, and the St. Croix River. Its west abutment is located immediately west of  

TH 95. Its east abutment is located on the Wisconsin river bluff. The total bridge 

length from

 abutment

 to

 abutment

 is

 approximately

 5,040

 feet.

 The

 bridge

 is

 

comprised of  main river spans with a length of  approximately 3,460 feet and 

westerly approach spans with a length of  approximately 1610 feet. The river spans 

have an extradosed superstructure that combines concrete box girders with cable 

stays. The approach spans have a concrete box girder superstructure. The transition 

from approach spans to river spans occurs at a common pier located  just inland from 

the Minnesota shoreline. The Minnesota approach spans to the river crossing have 

lengths ranging from 180 to 300 feet. 

Mn/DOT Bridge 82047 (TH 36WB off -ramp to TH 95) 

Bridge 

No. 

82047 

spans 

the 

UP 

R/R, 

local 

roadways, 

and 

wetlands. 

This 

bridge 

has 

concrete box girder superstructure that frames into an approach span of  Bridge 

82045. The structure depth is directly related to that of  the Bridge 82045 river spans. 

The typical section has a variable lane width ranging from 16 to 32 feet, with 4 foot 

inside and outside shoulders. 

Mn/DOT Bridge 82048 (TH 36EB on-ramp from TH 95) 

Bridge No. 82048 spans the UP R/R, local roadways, and wetlands. This bridge has a 

concrete box girder superstructure that frames into an approach span of  Bridge 

82045. The structure depth is directly related to that of  the Bridge 82045 river spans. 

The typical section has a variable lane width ranging from 16 to 32 feet, and 4 foot 

inside and

 outside

 shoulders.

 

2.2  Report  Purpose and Objective 

The Concept Refinement Report that will look at a number of  items for investigation 

described in further detail within the report. 

The content of  the report is separated into two divisions: 

  Division I is for the extradosed portion of  Bridge 82045 (B‐55‐224), 

  Division II is for the approach spans of  Bridge 82045 (B‐55‐224) and the ramp 

Bridges 82047 and 82048. 

Items 

for 

study 

and 

evaluation 

will 

include: 

  Structural Analysis 

  Bridge Lighting and Signing 

  Visual Quality 

  Construction 

  Maintenance and Inspection 

Page 17: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 17/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  2‐3 

The report provides the results of  the investigation and evaluation of  risk for each of  

the items listed above. The evaluation of  risk for each item assesses and reports the 

impacts to design feasibility, constructability, costs, schedule, environmental risks, 

aesthetics, long term durability, maintenance, etc. In addition to detailed findings, a 

risk analysis matrix is provided that summarizes the risk assessment for ease of  

understanding. 

The report is arranged in the following format and content: 

  Table of  Contents 

  Executive Summary 

  Introduction 

  Acknowledgement of  Commitments—The Report will cite commitments made in 

project documents that affect the bridge. This includes such documents as the 

SFEIS, Visual Quality Manual, etc. 

  Risk Evaluation 

  Content—Divisions I and II 

Portions of  the report may be incorporated into a future design build request for 

proposal (RFP) for the project. 

2.3  St. Croix River Crossing Development  

A new river crossing near Stillwater to replace the aging lift bridge has been 

discussed for many years. The first formal effort to replace the existing bridge began 

in 1985 with a Draft Study and Scoping Document. The planning process moved 

forward until 1995 when FHWA approved and Final Environmental Impact 

Statement (FEIS). Final design began in 1995, but in 1996 the National Park Service 

reacting to federal permit applications determined that the proposed bridge would 

have an

 adverse

 effect

 on

 the

 St.

 Croix

 River,

 a part

 of 

 the

 National

 Wild

 and

 Scenic

 

River System. With this determination, the federal permits could not be issued and 

work on the new river crossing stopped. 

Beginning in 1998 efforts to revive the river crossing began culminating in the 

approval of  an SFEIS in 2006. The visual appearance of  the St. Croix River Crossing 

and the context of  the bridge within the wild and scenic riverway were critical 

factors in the development of  the new river crossing. As the SFEIS was developed 

between 2004 and 2006, the extradosed bridge type was select for the main river 

crossing through an extensive stakeholder process that involved local state and 

federal government agencies, as well as, local and national citizen organizations. In 

parallel with

 the

 SFEIS

 process,

 a VQM

 was

 developed

 to

 outline

 the

 aesthetic

 values

 

for the project. A VQRC with member participation from all of  the stakeholder 

groups was a key part of  the visual quality process. In addition the VQM process 

included a public open house to gather public input for the aesthetic development 

of  the bridge. 

For a complete history of  the planning stages for the St. Croix River Crossing refer to 

Chapter 1 of  the 2006 Supplemental Final Environmental Impact Statement. 

Page 18: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 18/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

2‐4  June 2010 

2.4  General Definition of  an Extradosed Bridge 

The extradosed bridge concept was first proposed by French engineer Jacques 

Mathivat in 1988. In the past 20 years over 40 extradosed bridges have been built 

around the world, with the majority of  the bridges built in Japan. The extradosed 

bridge combines a prestressed girder bridge with a cable stayed bridge. With a span 

to depth ratio of  30 to 35 compared to a typical prestressed girder bridge with a 

span to depth ratio of  20 to 25, the economy of  a shallower girder is realized with 

the extradosed bridge. The tower height: span ratio of  1:8 compared to 1:4 for a 

cable stayed bridge gives a structure height that is much less imposing than a cable 

stayed bridge. Finally because of  the relatively stiff  girder, the extradosed bridge 

permits allowable cable stresses of  0.6 f pu compared to 0.45 f pu for a cable stayed 

bridge. This leads to the economy of  fewer strands in the cables and a reduction in 

the number of  post‐tensioning tendons needed to support the bridge. 

Page 19: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 19/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  3‐1 

3   Acknowledgement  of  Commitments 

3.1  Reference Documents 

2006 Supplemental Final Environmental Impact Statement 

Visual Quality

 Manual

 

3.2  Commitments 

This Concept Refinement Report and associated Concept Drawings have been 

developed by PB, under contract with Mn/DOT. PB has performed this work in 

accordance with the concepts and commitments included in the 2006 Supplemental 

Final Environmental Impact Statement and the Visual Quality Manual. 

Page 20: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 20/110

Page 21: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 21/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  4‐1 

4  Risk  Evaluation 

4.1  Risk  Matrix and Summary 

Risk management is an integral part of  all phases of  project delivery, from planning 

and preliminary engineering through final design and construction. Risk 

management is

 the

 systematic

 process

 of 

 identifying,

 analyzing,

 and

 responding

 to

 

project risk. Risk management must be conducted throughout the life of  a project. A 

standard dictionary definition of  risk is: “exposure to the chance of  injury or loss; a 

hazard or dangerous chance”. In the design and construction of  large transportation 

projects there are inherent risks that must be explored as the project develops. At 

the beginning, these variables, such as, subsurface geology, material quantities and 

costs, and material and labor availability, are uncertain. As a project develops, these 

risks begin to be to become less variable as information is gathered and engineering 

evaluation begins. Risk assessment is used to evaluate risks as part of  risk 

management. The first step is to identify the risk factors. For the St. Croix River 

Crossing, eight

 specific

 risk

 factors

 have

 been

 identified.

 Each

 of 

 the

 five

 report

 areas

 

are to be assessed for these eight risk factors, with an additional risks assessed as a 

ninth risk factor. 

Assessment of  risk is based on a scale from 1 to 3 for the probability of  occurrence 

(P), and on a scale of  1 to 3 for the severity of  impact (I). Scoring is qualitative, with 

low defined as 1, medium defined as 2, and high defined as 3. The risk score is the 

multiple of  P x I, such that the lowest risk is 1 and the highest risk is 9. The process is 

illustrated in Figure 4‐1. 

Figure 4‐1. Risk Assessment 

In some cases a category may not be applicable, in which case, a value of  0 will be 

applied. Table 4‐1 shows the summary of  risk assessment. 

Low Med High

     L    o    w

     M    e     d

     H     i    g     h

Impact (I)   P  r  o

   b  a   b   i   l   i   t  y  o   f   O  c  c  u  r  r  e  n  c  e   (   P   )

Significant

Risk Area

Page 22: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 22/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

4‐2  June 2010 

Table 4‐1. Summary of  Risk Assessment 

Risk Factor 

Structural 

Analysis 

Bridge 

Lighting & 

Signing 

Visual 

Quality  Construction 

Maintenance 

& Inspection 

Design feasibility  3  1  1  1  2 

Constructability 

Cost  4  1  2  6  1 

Schedule  1  1  1  6  0 

Environmental risks  1  1  1  3  1 

Aesthetics  1  1  1  1  2 

Long‐term durability  2  1  1  2  3 

Maintenance  2  1  1  2  3 

Total  16  8  10  22  13 

Average  2.0  1.0  1.25  2.75  1.63 

4.2  Investigation and Evaluation of  Risk  Factors 

4.2.1  Structural  Analysis 

Design Feasibility 

Probability (P): 1  Implementation of  a QA/QC procedure in the design process 

will help confirm the design is feasible. 

Impact (I): 3  When a major error is found during construction, the impact to 

cost and schedule is severe. 

Constructability 

Probability (P): 1  Proper constructability reviews will significantly reduce the 

chance of  construction problems. 

Impact (I): 2  Errors found during construction can be corrected. 

Costs 

Probability (P): 2  Overly conservative design and/or design errors will increase 

construction cost. 

Impact (I): 2  Conservative design will not significantly increase construction 

cost, but design error may. 

Schedule 

Probability (P): 1  Design may impact schedule. The design process should be 

clearly defined and the review process integrated into the 

design process, to permit timely reviews and issuing of  

construction drawings. 

Impact (I): 1  Lack of  approved construction drawings can slow or stop 

construction. 

Page 23: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 23/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  4‐3 

Environmental Risks 

Probability (P): 1  Low risk. 

Impact (I): 1  Low impact. 

 Aesthetics 

Probability (P):

 1 

Low risk.

 

Impact (I): 1  Low impact. 

Long-term Durability 

Probability (P): 1  Proper analysis and design detailing will ensure the long‐term 

durability of  the structure. 

Impact (I): 2  Serviceability issues can be corrected with remedial work, but 

additional costs are incurred. 

Maintenance 

Probability (P):

 1 

Accessibility for

 inspection

 and

 maintenance

 must

 be

 considered throughout the design process. 

Impact (I): 2  Accessibility for maintenance and inspection is of  critical 

importance. 

4.2.2  Bridge Lighting and Signing 

Design Feasibility 

Probability (P): 1  Proposed bridge light and signing details are fairly standard. 

Impact (I): 1  Low impact. 

Constructability 

Probability (P): 1  Proposed bridge light and signing details are fairly standard. 

Impact (I): 1  Low Impact. 

Costs 

Probability (P): 1  Proposed bridge light and signing details are fairly standard. 

Impact (I): 1  Low impact. 

Schedule 

Probability (P): 1  Proposed bridge light and signing details are fairly standard. 

Impact (I): 1  Low impact. 

Environmental Risks 

Probability (P): 1  Spillover lighting can be assessed during lighting tests and 

adjustments made as needed. 

Impact (I): 1  Low impact. 

Page 24: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 24/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

4‐4  June 2010 

 Aesthetics 

Probability (P): 1  Planned aesthetic lighting levels are minimized to subtly 

highlight the structure. Current modeling techniques allow 

accurate design and visualization of  the lighting system 

Impact (I): 1  Low impact. 

Long-term Durability 

Probability (P): 1  LED fixtures have long operating life and are low cost to 

operate. 

Impact (I): 1  Low impact. 

Maintenance 

Probability (P): 1  LED fixtures have long operating life and are low cost to 

operate. 

Impact (I): 1  Low impact. 

4.2.3  Visual Quality

 

Design Feasibility 

Probability (P): 1  Preliminary engineering has vetted the design feasibility of  the 

aesthetic design elements of  the bridge. 

Impact (I): 1  Low impact. 

Constructability 

Probability (P): 1  The design features include many curved surfaces, but the 

concept refinement has conformed the various surfaces to 

standard geometric shapes. 

Impact (I): 2  The many curved surfaces will provide more of  a challenge than 

construction with flat surfaces. 

Costs 

Probability (P): 2  The forming systems required for the various design elements 

will cost more than standard forming systems. 

Impact (I): 1  The repetitive use of  these forming systems will minimize this 

additional cost. 

Schedule 

Probability 

(P): 

Some 

reduction 

in 

production 

rates 

may 

occur 

due 

to 

curved 

form of  the various design elements. 

Impact (I): 1  As with all construction operations, there is a learning curve, 

but as operations are repeated productivity increases. 

Page 25: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 25/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  4‐5 

Environmental Risks 

Probability (P): 1  Visual impacts are addressed in the visual quality process, 

which provides guidance to ensure the bridge fits into the 

environment. 

Impact (I): 1  Low impact. 

 Aesthetics 

Probability (P): 1  The visual quality process has developed aesthetic standards 

for the bridge. 

Impact (I): 1  Low impact. 

Long-term Durability 

Probability (P): 1  The aesthetic features do no impact long‐term durability. 

Impact (I): 1  Low Impact 

Maintenance 

Probability (P): 1  The aesthetic features do not impact maintenance. 

Impact (I): 1  Low Impact 

4.2.4  Construction 

Design Feasibility 

Probability (P): 1  The planned construction methods are included in the design 

process using construction stage analyses to ensure that the 

construction methods are feasible. The planned construction 

methods are standard methods. 

Impact 

(I): 

Coordinated 

construction 

planning 

during 

the 

design 

phase 

will 

limit design impacts. 

Constructability 

Probability (P): 1  The planned construction methods using concrete segmental 

construction with either cast‐in‐place or precast segments are 

standard methods used throughout the world. 

Impact (I): 1  Coordinated constructability reviews during the design phase 

will limit constructability impacts. 

Costs 

Probability 

(P): 

Foundation 

construction 

costs 

are 

less 

defined 

than 

other 

costs, 

because preliminary foundation capacity is relatively low. 

Impact (I): 3  Foundation costs are significant, and cost reduction or increase 

can be significant. 

Schedule 

Probability (P): 2  Construction is the largest project activity and controls the 

contract duration. Proper scheduling is critical. 

Page 26: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 26/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

4‐6  June 2010 

Impact (I): 3  The construction schedule must be closely monitored to ensure 

that progress toward schedule completion is maintained. If  the 

schedule begins to slip, work around schedules, or 

supplemental schedules must be developed to get the project 

back on track. 

Environmental Risks

 

Probability (P): 1  Construction operations by their very nature impact the 

environment. Proper environmental standards and controls are 

necessary to ensure environmental compliance. 

Impact (I): 3  The Minnesota approach spans cross environmentally sensitive 

wetlands and the St. Croix River is a national scenic waterway 

with mussel beds near the Wisconsin shore. Uncontrolled and 

unmonitored construction operations can had serious 

environmental impacts. Construction debris, excavated soils, 

and petroleum products are among the numerous items that 

can cause

 environmental

 damage.

 

 Aesthetics 

Probability (P): 1  Proper workmanship is utmost importance to produce finished 

work of  the specified quality. 

Impact (I): 1  Typical finishing methods will remedy minor workmanship 

errors. 

Long-term Durability 

Probability (P): 1  Material controls and construction QA/QC programs must be 

implemented and maintained to ensure that the requirements 

of  the

 plans

 and

 specifications

 are

 incorporated

 into

 the

 work.

 

Impact (I): 2  Incorporating specified materials using proper construction 

methods and workmanship are critical to long‐term durability. 

Out of  specification metal products and/or concrete will have a 

detrimental effect on long‐term structure performance. 

Maintenance 

Probability (P): 1  See Long‐term Durability. 

Impact (I): 2  See Long‐term Durability. 

4.2.5  Maintenance and Inspection 

Design Feasibility

 

Probability (P): 1  Design details will affect maintenance and inspection. 

Maintenance and inspection should be considered throughout 

the design process. 

Impact (I): 2  Design that does not include consideration of  maintenance and 

inspection access will impact operations. 

Page 27: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 27/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  4‐7 

Constructability 

Probability (P): 1  Maintenance and Inspection have little impact on 

constructability. 

Impact (I): 1 

Costs 

Probability (P): 1  Inspection and maintenance are directly related to cost. 

Impact (I): 1  The cost of  future maintenance and inspection is directly linked 

to accessibility. 

Schedule 

Probability (P): 0  None. 

Impact (I): 0  None. 

Environmental Risks 

Probability (P):

 1 

The maintenance

 of 

 the

 bridge

 drainage

 system

 is

 critical.

 

Impact (I): 1  Leakage of  bridge drainage must be repaired quickly. The 

overflow trough will limit leakage until repairs are made. 

 Aesthetics 

Probability (P): 1  The architectural surface treatment is long lasting are requires 

little maintenance. 

Impact (I): 2  Lack of  maintenance will have a negative impact on the 

structures appearance. 

Long-term Durability 

Probability (P):

 1 

The long

‐term

 durability

 of 

 the

 bridge

 depends

 on

 the

 

inspection and maintenance programs, but concrete segmental 

bridges are among the most durable bridges. 

Impact (I): 3  Poor inspection and maintenance can greatly reduce the life 

span of  the bridge. For a concrete segmental bridge the parts 

that are most vulnerable to wear and bearings and expansion 

 joints. In addition the stay cables of  an extradosed bridge are 

key structural components. The anchorages and cable 

sheathing need to be inspected on a systematic basis. 

Maintenance 

Probability (P):

 1 

See Long

‐term

 Durability.

 

Impact (I): 3  See Long‐term Durability. 

Page 28: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 28/110

Page 29: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 29/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐1 

5  Division I Structural  Analysis 

5.1  Introduction 

The extradosed river spans for the St. Croix River Crossing are designated Mn/DOT 

Br. No. 82045 (WisDOT Bridge B‐55‐224)(Mainline TH 36 and STH 64). For the 

purpose of 

 this

 report,

 the

 baseline

 structure

 is

 defined

 as

 a structure

 that

 conforms

 

to the structural configuration presented in the VQM. The baseline structure is an 

eight‐span, extradosed structure with a length of  3,460 feet, and a span 

arrangement of  290 feet—480 feet—480 feet—480 feet—480 feet—480 feet—

480 feet—290 feet. Of  the seven piers, six are located in the river with one pier 

located on the Wisconsin bluff. The baseline structure’s configuration is such that 

the seven piers consist of  three columns below roadway level, with the two exterior 

columns extending above the roadway as towers for anchoring of  the extradosed 

cables. The baseline superstructure is comprised of  two concrete segmental box 

girders connected by full‐depth diaphragms at the cable support locations. The 

cables are

 arranged

 in

 two

 planes

 and

 anchor

 in

 an

 anchor

 pod

 at

 the

 exterior

 edge

 

of  each box girder, with typical spacing of  20 feet between cables. There are a total 

of  252 cables, with 36 cables anchored at each pier. The exterior piers extend 

60 feet above the roadway, thus giving a tower vs. span ratio of  1:8, which is ideal 

for an extradosed bridge. Various modifications to the baseline structure have been 

made in order to satisfy the goals of  the objectives. These modifications to the 

baseline structure are described in the following sections of  this report. 

5.2  Objectives 

The specific concept refinement program consists of  developing appropriate 

structural 

models 

and 

performing 

structural 

analyses 

to 

determine 

the 

adequacy 

and feasibility of  the proposed concept design. As previously described, the baseline 

model conforms to the structural configuration presented in the VQM. The 

structural analysis utilizes a global model for longitudinal and transverse effects, and 

localized modeling performed at two “points of  interest” identified during the global 

modeling. In addition to the general analysis task, specific investigations and 

evaluations will include the following: 

  Base Modeling 

  Superstructure Cross‐section Investigation 

  Pier Investigation 

  Fixity/Longitudinal Movement Investigation 

  Grade Induced

 Movement

 Investigation

 

  Two Box Girder Load Distribution Investigation 

  Wind Load—Vibration Analysis Evaluation 

  Back span Uplift Investigation 

  Extradosed Stay Cable Analysis 

  Points of  Interest—Local Analysis 

Page 30: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 30/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐2  June 2010 

5.3  Base Modeling 

The base model is configured according to the structure previously defined in the 

VQM. The analysis of  the bridge was carried out using a three‐dimensional (3‐D) 

structural model of  the bridge, including explicitly modeled foundation elements 

with non‐linear springs to represent the soil properties. The superstructure and 

substructure components are modeled using beam elements with prismatic section 

properties. The stay cables are modeled as truss elements. The superstructure’s two 

box girders are modeled independently and are connected by transverse members 

at each cable connection location. The double stem portion of  the pier columns are 

also modeled independently to more realistically simulate the longitudinal stiffness. 

The model simulates the anticipated construction sequence and duration to capture 

the locked‐in dead load forces from construction and to simulate the long‐term 

effects of  creep and shrinkage on the structure. This model, as shown in Figure 5‐1, 

is used for all global longitudinal analyses, with modifications incorporated as 

preliminary results determined that proposed refinements were structurally 

feasible. 

Figure 5‐1. Stick (top) and Rendered (bottom) Isometric View of  Global Model 

5.4  Longitudinal 

 Analysis 

As with all segmental bridges, the design of  a segmental extradosed bridge is 

dependent on the construction sequence used to build the bridge. For the St. Croix 

River Crossing, the structural arrangement conforms to a balanced cantilever 

construction sequence, as shown in Figure 5‐2. As with any segmental bridge built in 

balanced cantilever fashion, the substructure consisting of  the foundation and pier is 

built first followed by construction of  the superstructure girder. Segments of  the 

Page 31: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 31/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐3 

girder are either cast on a form traveler for cast‐in‐place construction or erected 

using a deck mounted lifting system or land/water‐based crane for precast 

construction. As each segment is cast, or in the case of  precast, as each pair of  

segments is erected, cantilever post‐tensioning tendons in the top flange that 

anchor at the ends of  the two cantilevers are installed and stressed. In addition, for 

the extradosed

 structure,

 the

 cables

 are

 installed

 and

 stressed

 and

 cantilever

 

construction progresses. 

Figure 5‐2. Rendered Isometric View of  Global Model Showing Construction Sequence 

The construction at the various piers can proceed in a number of  sequences, but 

typically construction either proceeds from one end of  the structure to the other 

end, or from both ends toward the middle. As balanced cantilever construction is 

completed at a pier nearest to an abutment, a number of  segments adjacent to the 

abutment are supported on temporary falsework. A closure segment is cast between 

the two sections of  girder, and continuity post‐tensioning tendons in the bottom 

flange are installed and stressed to make the first continuous span. As cantilever 

construction is completed at subsequent piers, a closure segment is cast between 

adjacent sections

 of 

 girder,

 and

 continuity

 post

‐tensioning

 tendons

 in

 the

 bottom

 

flange are installed and stressed to make the span continuous. 

In addition to the changing structural system as the cantilevers are constructed and 

the spans are made continuous, time dependent effects due to increasing concrete 

strength, concrete creep and shrinkage, and post‐tensioning steel relaxation must be 

considered in the design of  segmental structures. Once the structure is completed, 

the time dependent effects continue to occur, and the analysis evaluates these 

Page 32: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 32/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐4  June 2010 

effects for a predetermined time interval, typically to 10,000 days, which is defined 

as time infinity, when it is assumed all time dependent effects have occurred. 

Following the 10,000‐day analyses, external loads such as truck and wind forces are 

applied to the completed structure. Stresses are checked for conformance within 

AASHTO LRFD limits. These stress checks include limit states during and after 

construction. A

 girder

 stress

 profile

 displaying

 service

 load

 stresses

 is

 shown

 in

 

Figure 5‐3. 

Figure 5‐3. Box Girder Stress along Length of  Bridge 

5.5  Transverse  Analysis 

The extradosed bridge configuration in the VQM consists of  two cable planes, which 

are connected to the superstructure along the outside edge of  each box girder. 

Transverse members between the box girders are required to transfer and balance 

the forces imposed by the stay cables in addition to transferring unbalanced live 

loads between

 the

 individual

 box

 girders,

 as

 shown

 in

 Figure

 5‐4.

 The

 lower

 member

 

primarily resists tension forces and the upper closure pour member resists 

compression forces as well as vertical shear forces caused by unbalanced live loads. 

Page 33: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 33/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐5 

Figure 5‐4. Transverse Framing at Cable Connection 

To determine the demands on the transverse members, a 3D analytical model of  a 

representative span was created. The box girders were modeled using plate 

elements and the transverse members were modeled using beam elements. Various 

live load conditions were studied as well as the forces induced in the members 

during the stressing of  the stay cables during construction. As a result of  the 

analysis, it has been determined that a post‐tensioning tendon of  24 strands is 

required and

 the

 4 foot

 deep

 closure

 pour

 of 

 the

 top

 flange

 is

 sufficient

 to

 resist

 

compression and shear. 

5.6  Superstructure Cross-section Investigation 

The superstructure of  the baseline structure described in the VQM consists of  two 

concrete segmental box girders connected by full depth diaphragms at the cable 

support locations, as shown in Figure 5‐5. The box girders are comprised of  a 3‐cell 

cross‐section, with two vertical interior webs and two inclined exterior webs. The 

box girders are 20 feet deep and 42.25 feet wide at the top flange or roadway level, 

with a 16.0‐foot width at the girder soffit. The exterior webs and soffit have circular 

curved faces

 with

 a radius

 of 

 66.0

 feet.

 The

 individual

 curves

 meet

 at

 the

 web

‐soffit

 intersection, forming an angular break point. The exterior webs curve to vertical at 

roadway level by the addition of  a smaller radius curve at the top 3 feet of  the web. 

The top flange of  the box girder is haunched adjacent to each web to provide room 

for post‐tensioning anchorages on either side of  the interior webs, and on the 

interior side of  the exterior webs. The bottom flange is similarly haunched adjacent 

to the interior webs to permit the top surface of  the flange to follow the curved 

soffit face and reduce the flange thickness at the midspan between the webs. 

Page 34: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 34/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐6  June 2010 

Figure 5‐5. Baseline Box Girder Superstructure 

The baseline

 pedestrian

 trail

 cantilevers

 from

 the

 edge

 of 

 the

 northern

 box

 girder,

 outside the north cable plane. The trail consists of  a sidewalk slab supported by 

concrete brackets attached to the box girder at the same interval as the cable 

diaphragms. This trail curves outward and around the north column at each pier. 

Several aspects of  the superstructure cross section were evaluated during the 

project, which include girder depth, feasibility of  a single box girder superstructure 

and transverse diaphragm requirements. Another item investigated was the 

feasibility and possible benefits of  integrating the cantilevered pedestrian trail with 

the box girder, as recommended in the Cost Reduction and Value Engineering 

(CRAVE) Study. 

5.7  Inboard Pedestrian Trail 

After discussions with Mn/DOT, WisDOT and the VQAC, the cantilevered pedestrian 

trail has been integrated with the box section. The trail is now located inboard of  the 

north cable plane. The recommendation is based on improved constructability, 

improved operations, ease of  maintenance and inspection, and potential cost 

savings. More information regarding the benefits of  integrating the pedestrian trail 

with the box girder can be found in the Visual Quality Section of  this report. The 

overall shape and symmetry among the two box girders is maintained, however, the 

median barrier is no longer located at the centerline of  the bridge. Each box girder is 

widened to a width of  49’‐3” and the median barrier is shifted 6’‐7” south of  the 

centerline of  the bridge. The proposed section showing the revised configuration is shown in Figure 5‐6. 

Page 35: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 35/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐7 

Figure 5‐6. Proposed Box Girder Showing the Reduced Depth and Integrated Pedestrian Trail 

5.8  Box Girder Depth 

As previously

 mentioned,

 the

 box

 girder

 illustrated

 in

 the

 VQM

 has

 a constant

 depth

 

of  20 feet. After evaluating the longitudinal demands on the girder, it was concluded 

that from a structural perspective, a 20 foot deep girder is not required. It has been 

determined that a box girder depth of  16 feet is more advantageous. The 16 foot 

deep girder was found to be more economical and more compatible with the 

approach spans, while still maintaining the architectural proportions described in 

the VQM. The shallower box girder is lighter and more efficient, especially since the 

girder has a constant depth along the length of  the spans. Our studies also indicate 

that the 16‐foot deep girder alternative is approximately $12.50 per square foot of  

bridge area less expensive than the 20‐foot deep girder alternative, as shown in 

Table 

5‐

1. 

The 

overall 

shape 

and 

general 

dimensions 

of  

the 

shallower 

girder 

remain 

the same. 

Page 36: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 36/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐8  June 2010 

Table 5‐1. Box Girder Depth Cost Comparison 

Bridge length ................................................  3,460 ft 

Number of  piers ............................................  7 

Pier cross girder width ..................................  20 ft 

Girder length ................................................  3,320 ft 

Bridge area ...................................................  354,000 sf  

Concrete unit cost ........................................  $700.00/cy 

Reinforcing, epoxy coated unit cost .............  $1.25/lb 

Reinforcing weight ........................................  250 lb/cy 

Box Girder 

Depth (ft) 

Cross‐

section 

Area (sf) 

Web Width 

(ft) 

Concrete 

Volume (cy) 

Concrete 

Cost ($) 

Reinforcing 

Cost ($) 

Total Cost 

Reduction 

20  175.140  1.25  43,071  30,150,027  13,459,833 

16  157.313  1.50  38,687  27,081,142  12,089,795 

Difference  ‐

4,384 

(3,068,885) 

(1,370,038) 

(4,438,923.00) 

Difference per sf   (12.54) 

5.9  Single Box Girder Feasibility 

According to the VQM, both a single box girder and a double box girder 

superstructure are acceptable alternatives. The basic configuration of  both 

superstructure alternatives is shown in Figure 5‐7. 

Both alternatives have been evaluated from structural, constructability, and 

architectural perspectives. Based on our analysis and engineering  judgment, it has 

been concluded

 that

 the

 single

 box

 girder

 alternative

 is

 feasible.

 It

 has

 also

 been

 

determined that the optimal superstructure depth for the single box girder 

alternative is 16 feet. From a constructability perspective, the double box girder 

alternative would most likely be constructed using precast segments and the single 

box alternative would most likely constructed by casting the segments in place using 

a form traveler, due to the size and weight of  the segment as the weight of  a single 

box girder is too large for typical erection equipment. In terms of  construction 

duration, it is believed that the double box girder alternative would require less time 

to construct since the precast segments can be cast concurrently with the 

construction of  the bridge substructure. 

Page 37: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 37/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐9 

Figure 5‐7. Typical Sections 

5.10  Transverse Diaphragm investigation 

Although it is not explicitly stated, it appears that the structural systems shown in 

the VQM utilize full depth diaphragms located at each cable. After conducting a 

transverse analysis on the structure, it has been determined that full depth 

diaphragms are not required. Instead, a much lighter transverse tie member and 

partial depth diaphragms inside the girder are proposed. The post‐tensioned tie 

member will most likely be constructed as a precast element. For additional 

information on the transverse diaphragms, please see the Transverse Analysis 

section of  this report. 

5.11  Pier Investigation 

As shown in the VQM (baseline structure) and in Figure 5‐8, the deck is supported at 

each pier by the two outside columns, which extend above the deck for anchoring of  

the extradosed cables and one center column that terminates at the cross girder at 

deck level. The pier configurations shown in the VQM have a constant height of  

60 feet

 above

 the

 girder,

 and

 so

 therefore

 vary

 in

 height

 above

 the

 water

 line

 from

 

170 feet at the pier closest to the Minnesota shore to 212 feet at the pier on the 

Wisconsin bluff. The pier columns are generally conical in shape with varying 

dimensions from top to bottom, with the smaller dimension at the top of  the pier. 

The interior column is split into two stems below the girder, and combines into a 

single column 104 feet below the roadway level. The exterior columns are split into 

two stems from the top of  the pier to 104 feet below the roadway level, with the 

Page 38: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 38/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐10  June 2010 

exception of  the tower anchor housing, which extends from  just below the top of  

column to 17 feet above the girder. The exterior column stem connection occurs 

only at the upstream and downstream face of  the column, creating a C‐shaped 

column in cross‐section. The three columns in the baseline structure are connected 

by a 20‐foot wide by 25‐foot deep rectangular shaped cross girder at the roadway 

level. The

 cross

 girder

 is

 a hollow

 section

 between

 columns

 with

 5‐foot

 thickness

 for

 

the top and bottom flanges, and the two webs. At the columns, the cross girder has 

a solid cross‐section comprised of  a diaphragm infill in addition to the flange and 

web section. Since it has been determined to reduce the depth of  the superstructure 

box girder from 20 feet to 16 feet, the cross girder depth has also been reduced the 

same amount to maintain similar proportions shown in the VQM. The proposed 

cross girder depth is 21 feet. 

Figure 5‐8. VQM Baseline Pier Configuration 

Page 39: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 39/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐11 

The Visual Quality Advisory Committee’s preference is to have only the two stay 

tower columns at each pier (eliminate the center column) to maintain the “light and 

elegant” appearance of  the chosen “Organic” design concept. The pier investigation 

evaluated the feasibility of  a two column design in place of  the three column design 

presented in the VQM. The evaluation considers the advantages and disadvantages 

of  cost,

 constructability,

 and

 aesthetics

 including

 impact

 to

 the

 overall

 appearance

 

of  the two column option compared to the three column option. 

There are three critical components to be considered when determining the 

feasibility of  the two column alternative. The first item is the location and number of  

the expansion  joints on the bridge. It is preferred to have all eight extradosed spans 

be continuous with expansion  joints only at  Pier 7 and the East Abutment. Having 

the expansion  joints only at the ends of  the extradosed bridge create significant 

demands on Piers 8 and 14 due to the longitudinal displacements from the thermal 

loads and long term creep and shrinkage. The second item is the stiffness of  the 

individual pier columns. The pier cross girder strength is the third critical component 

in determining

 the

 feasibility

 of 

 tower

 bents

 consisting

 of 

 two,

 rather

 than

 three,

 

column legs. Since the superstructure is integrally connected to the substructure at 

all piers, the pier cross girder is subjected to sizeable shear, vertical bending and 

torsion. 

Based on our analysis and our engineering  judgment, it has been determined that 

the two pier columns alternative is feasible. The two columns have adequate 

capacity to resist the imposed loads and deformations. The relatively tall and slender 

double stem section of  the pier column provide adequate flexibility to accommodate 

the longitudinal displacement demands from thermal effects and long term creep 

and shrinkage. Although it is relatively minimal, additional flexibility of  the 

substructure is

 provided

 by

 the

 drilled

 shaft

 foundation.

 Even

 though

 it

 is

 not

 the

 

shortest pier, Pier 8 controls the design. This is due to shallow rock at the footing 

location, resulting relatively short, stiff  drilled shafts. The double stem sections of  

the columns are the controlling component of  the pier design. Utilizing the cracked 

section properties, the double stem section will require approximately 2% 

reinforcement, which is a feasible amount. It has also been determined that the 

proposed cross girder has adequate strength to resist the imposed loads. The 

proposed pier configuration is shown in Figure 5‐9. For additional information, 

please see the Fixity / Longitudinal Movement Investigation section of  this report. 

Page 40: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 40/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐12  June 2010 

Figure 5‐9. Proposed Pier Configuration 

5.12  Fixity/Longitudinal Movement  Investigation 

The fixity/longitudinal movement investigation evaluated the pier and bearing fixity 

requirements, pier stiffness effects due to thermal movements, and other issues 

unique to long, continuous bridges. As the superstructure shortens due to thermal 

effects and long‐term creep and shrinkage, the pier columns are deflected and the 

pier cross girders are subjected to torsional effects. Based on our analysis and our 

engineering  judgment, it has been determined that the eight span extradosed 

portion 

of  

Bridge 

82045 

(B‐

55‐

224) 

can 

be 

made 

continuous 

with 

expansion 

 joints 

only at Pier 7 and the East Abutment. The relatively tall and slender double stem 

section of  the pier columns provide adequate flexibility to accommodate the 

longitudinal displacement demands from thermal effects and long term creep and 

shrinkage, as shown in Figure 5‐10. Although it is relatively minimal, additional 

flexibility of  the substructure is provided by the drilled shaft foundation. Even 

though it is not the shortest (therefore stiffest) pier, Pier 8 controls the design. This 

Page 41: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 41/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐13 

is due to shallow rock at the footing location, resulting relatively short, stiff  drilled 

shafts. 

The expected movement of  the extradosed bridge due to thermal effects is 

approximately +/‐ 8 inches and the expected shortening of  the superstructure due to 

creep and shrinkage is approximately 6 inches. This results in the expansion  joint at 

the east

 abutment

 having

 a movement

 rating

 of 

 26

 inches

 and

 the

 expansion

  joint

 at

 

Pier 7 having a movement rating of  38 inches. The increased expansion  joint size at 

Pier 7 accounts for the movement of  the approach structure. Please see the Pier 

Investigation section of  this document for more information. 

Figure 5‐10. Deflected Pier Shape 

5.13  Grade Induced Movement  Investigation 

The bridge is on a constant +1.74% grade traveling toward Wisconsin. An 

investigation to evaluate the tendency of  the bridge to move permanently in the 

downhill direction was conducted. It has been concluded that the bridge is not 

susceptible to grade induced movements. The frame action of  the integral pier 

configuration alleviates this movement. 

5.14  Two Box Girder Load Distribution Investigation 

The two box girder load distribution investigation evaluated the requirements for 

transfer of  transverse loads in the regions along the bridge where cable stays and 

diaphragms do not exist, as shown in Figure 5‐11. 

Page 42: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 42/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐14  June 2010 

Figure 5‐11. Superstructure between Cable Supports 

Once the closure between the individual girders is complete, the two girders no 

longer act independently, but instead behave as if  they are one. As shown in 

Figure 5‐12, the deflection of  both box girders is approximately the same when only 

one box girder is subjected to full live load. 

Figure 5‐12. Transverse Analysis 

It has been determined that the closure pour between the two box girders is 

sufficient to transfer unbalanced live loads and to prevent differential deflection 

between the individual box girders. To improve the long‐term service 

performance of  the closure, transverse post‐tensioning will be integrated into 

the design.

 A

 detail

 of 

 the

 proposed

 closure

 pour

 is

 shown

 in

 Figure

 5‐13.

 

Page 43: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 43/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐15 

Figure 5‐13. Closure Pour Detail 

5.15  Wind Load—Vibration  Analysis Investigation 

Long span bridges tend to be excited by dynamic wind load. The St. Croix River 

Bridge River Crossing is a long span bridge with six 480’ spans. While the bridge is 

extradosed type, it is actually a box girder bridge with partially exposed post‐

tensioning tendons

 and

 therefore

 the

 bridge

 behavior

 is

 very

 close

 to

 traditional

 box

 

girder bridges. There are long span box girder bridges in Japan and other countries 

that have experienced large vibrations under wind load and there is a possibility that 

this bridge might also experience wind induced vibration. A study for the 

vulnerability to excessive vibration has been performed and is discussed below. 

An Eigenvalue dynamic analysis was performed on the St Croix River Crossing and 

some modes of  vibration are shown in Figure 5‐14. The period of  the first vertical 

mode is approximately 1.0 second. The period of  the first torsional mode is found to 

be approximately 0.5 second. The ratio of  the first vertical mode to the first torsional 

mode is approximately 2. Based on previous experience, when this ratio is near the 

range of 

 2 to

 3,

 the

 bridge

 has

 higher

 possibility

 of 

 wind

 induced

 vibration.

 

Therefore, a detailed wind study is deemed necessary during final design of  this 

bridge. 

Page 44: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 44/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐16  June 2010 

Figure 5‐14. Mode Shapes from the Eigenvalue Dynamic Analysis 

Bridge structural dynamic response to wind is commonly studied by performing 

wind tunnel tests. An aero elastic model wind tunnel test can cover all modes of  the 

bridge and provide a realistic prediction of  the bridge dynamic response to wind. A 

partially completed structure is more vulnerable than a complete structure. The 

most vulnerable condition of  this bridge is before the spans are closed and while the 

cantilever arms are the longest. Therefore, several critical construction conditions in 

addition to the complete bridge are recommended for detailed study. 

In accordance with these findings, it is recommended that the design criteria include 

aerodynamic evaluation of  the bridge with the testing criteria listed as follows: 

13.3.3.1.10 Aerodynamic Evaluation 

  A wind expert shall perform wind data collection and analysis to 

determine the design wind speed. 

  The aerodynamic stability of  the structure shall be determined by 

performing wind

 tunnel

 tests

 on

 aero

‐elastic

 models

 of 

 the

 structure.

 

A buffeting analysis shall be performed based on the data measured 

from the wind tunnel tests. 

  The buffeting analysis will generate equivalent static wind loads to 

the structure. Aero‐elastic model wind tunnel tests shall include 

critical construction conditions as well as the completed structure. 

Page 45: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 45/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐17 

Large amplitude vibration of  some stay cables in light rain and low wind has been 

observed in of  some cable stayed bridges around the world. This phenomenon is 

called rain‐wind induced vibration. The stay cable industry has developed several 

means to counteract this vibration. The most commonly used method is a spiral bar 

placed around the PE pipe. This has been proven a very effective Measure and it is 

recommended that

 this

 type

 of 

 PE

 pipe

 be

 required

 for

 the

 St

 Croix

 River

 Crossing.

 

  The allowable stress in the cables of  the extradosed bridge is 0.6 FGUTS or 162 ksi. 

The allowable stress in the cables of  cable‐stayed bridge is 0.45 FGUTS or 122 ksi. 

The higher allowable tensile stress in the extradosed bridge has the effect of  

lowering the possibility of  excessive vibration. 

  The Contractor will be required to design the cables in accordance with PTI 

Guide Specifications Recommendations for Stay Cable Design, Testing and 

Installation, 3rd and 5th Editions. A properly designed cable is not expected to 

experience wind induced vibration. 

5.15.1 Back  span Uplift/Maximum Back  span Length Investigation 

The back

 span

 uplift/maximum

 back

 span

 length

 investigation

 evaluated

 the

 

potential for uplift at the back span piers. It has been determined that the current 

configuration of  the spans does not result in uplift. One of  the main reasons there is 

no uplift is that the live load to dead load ratio on the extradosed bridge is quite low. 

Another reason is that the proposed back span length is 290 feet, which is 50 feet 

longer than half  of  the main span. The additional 50 feet of  span length on the back 

span effectively acts a counterweight to resist the uplifting forces when the main 

span is fully loaded. The integral framing of  the superstructure to the substructure at 

the main piers is effective at resisting the longitudinal rotation of  the superstructure 

caused by the fully loaded main span, which also limits the ability of  the back span to 

uplift. It

 had

 been

 determined

 that

 the

 minimum

 service

 load

 bearing

 reaction

 at

 the

 

back span support is approximately 800 kips, based on a two bearing per girder 

configuration. 

5.16  Extradosed Stay Cable  Analysis 

The cables of  the baseline structure are arranged in two planes and anchor in an 

anchor pod at the exterior edge of  each box girder, with typical spacing of  20 feet 

between cables, as shown in Figure 5‐15. There are a total of  252 cables, with 36 

cables anchored at each pier. 

Page 46: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 46/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐18  June 2010 

Figure 5‐15. Extradosed Stay Cable Configuration 

The cables are connected to the tower starting 22 feet above the roadway level, 

with typical

 spacing

 of 

 4 feet

 between

 cables

 at

 centerline

 of 

 pier.

 The

 cables

 are

 either anchored to the tower within a steel anchorage housing. The cables are 

connected to the box girder at anchorage pods spaced at 20 feet along the exterior 

edges of  the two box girders. There are nine anchorage pods along each edge up 

station and down station from the pier. The first cable pair is located 55 feet from 

the centerline of  pier, with the ninth cable pair located 215 feet from centerline of  

pier. This leaves a space of  50 feet in the midspan between the ninth cable pair of  

adjacent piers. The angle of  the cables from the horizontal plane varies from 14 

degrees to 22 degrees. At each anchorage pod there is a diaphragm connecting the 

box girders together. 

The extradosed

 cables

 were

 initially

 sized

 assuming

 that

 they

 would

 resist

 approximately 60% of  the dead load moment of  the cantilever prior to closure. 

Following this initial sizing, the average cable tension (1250 kips) was selected to be 

applied to each extradosed cable upon installation. 

According to the Cable Stays Recommendations of  the French Interministerial 

Commission of  Pre‐stressing, stay cables with a change in stress caused by live load 

of  less than 7.2 ksi are considered extradosed. The standard limits the cable tension 

to 60% of  the guaranteed ultimate tensile strength, that is, 0.6 GUTS, under the 

effects of  maximum service loading. It has been determined that the stress variation 

caused by live load (HL‐93 with no pedestrian load) on the St. Croix River Bridge is 

approximately 4 ksi

 (as

 shown

 in

 Figure

 5‐16),

 which

 defines

 the

 cables

 as

 extradosed. Utilizing the allowable tension limit of  0.6 FGUTS, all cables are comprised 

of  37 0.6‐inch diameter strands. 

Page 47: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 47/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐19 

Figure 5‐16. Live Load Stress Range 

5.17  Points of  Interest—Local  Analysis Two “points of  interest” were identified during the global modeling. The first 

location is the integral pier cross girder to column connection, which is a complex 

area and critical component to the feasibility of  the structure. A localized finite 

element model was generated to study the force flow, stress concentrations and 

deformations within the integral connection. The forces input into the localized 

models have been derived from the global analytical model. The results of  the 

localized analysis indicate that proposed integral connection is still feasible. 

However, there will be areas of  stress concentration that will need to be addressed 

during final design. Various stress diagrams can be seen in Figure 5‐17 through 

Figure 5‐19. 

Page 48: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 48/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐20  June 2010 

Figure 5‐17. Local Model of  Integral Pier (Bottom View) 

Figure 5‐18. Local Model of  Integral Pier (Top View) 

Page 49: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 49/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐21 

Figure 5‐19. Pier Cross Girder Interface Model 

The second area of  interest is the configuration of  the first two spans (spans 8 and 9) 

of  the extradosed bridge, which have a variable width superstructure caused by the 

merging of  Ramps SE and NE into the mainline. The majority of  the width variation is 

within span 8, in which the width varies from 135 feet at Pier 7 to 110 feet at Pier 8. 

Special consideration of  the framing of  span 8 is required due to its increased width. 

It should also be noted that in addition to the increased width, the super elevation is 

also varying along the length of  span 8. Although it doesn’t have a major impact on 

the framing, the varying super elevation must be considered in the cross girder and 

extradosed stay cable design. There are several viable alternatives, but one solution 

is shown in Figure 5‐20 through Figure 5‐22. The proposed configuration utilizes a 

precast truss member between the two precast box girders. This maintains a similar 

“open” appearance to the rest of  the extradosed structure as well as maintaining 

the same geometry for the box girders. 

Page 50: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 50/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐22  June 2010 

Figure 5‐20. Pier 8 Elevation Showing Widened Superstructure and Full Super Elevation 

Page 51: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 51/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  5‐23 

Figure 5‐21. Span 8 Typical Section 

Figure 5‐22. Isometric View of  Precast Truss 

To 

determine 

the 

demands 

on 

the 

transverse 

members, 

3D 

analytical 

model 

of  

representative span was created as shown in Figure 5‐23. The box girders were 

modeled using plate elements and the transverse members were modeled using 

beam elements. Various live load conditions were studied as well as the forces 

induced in the members during the initial stressing of  the stay cables during 

construction. Based on the results from the localized and global analysis, it can be 

concluded that the proposed precast truss alternative is feasible. The light weight 

strut design will also keep the extradosed stay cable force increase to a minimum. 

Page 52: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 52/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

5‐24  June 2010 

Figure 5‐23. Isometric View of  3D Analysis 

Page 53: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 53/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐1 

6  Division II Structural  Analysis 

6.1  Introduction and Objectives 

There are three bridges in this portion of  the work: Bridge No. 82045 (Mainline TH 

36 approach units), Bridge No. 82047 (TH 36WB off ‐ramp to TH 95), and Bridge No. 

82048 (TH

 36EB

 on

‐ramp

 from

 TH

 95).

 The

 typical

 mainline

 superstructure

 is

 

comprised of  two parallel concrete segmental box girders connected by a closure 

pour at the top flange, while the ramp superstructures are a single concrete 

segmental box girder. The baseline model piers are twin stem wall type that is 

connected monolithically to the superstructure, with the exception of  the mainline 

pier nearest to the abutment that is a single column with bearings. The approach 

span adjacent to the extradosed river spans is a transition span that has a wider 

cross‐section to accommodate the on‐ramp and off ‐ramp lanes. 

The concept refinement program consisted of  developing appropriate structural 

models and performing structural analyses to evaluate the adequacy of  the 

proposed design

 concept.

 The

 baseline

 model

 conforms

 to

 the

 structural

 

configuration presented in the VQM and the Mn/DOT‐provided roadway design files. 

Variations on the baseline model were developed as the layout and construction 

impacts were examined for reduction of  impact and overall technical enhancement. 

These variations were designated R1, R2, etc., to indicate the layout version being 

modeled. Subsequent sections describe the baseline model and interpretation of  the 

VQM. 

The modeling approach utilized global modeling for longitudinal and transverse 

effects, and localized modeling was performed at “points of  interest” identified 

during the global modeling. In addition to the general analysis task, specific 

investigations and

 evaluations

 included

 the

 following:

 

6.1.1  Box Girder Width Transition Investigation 

The box girder width transition investigation evaluated the transition in box girder 

width at the ramp termini, on the Minnesota side, and investigated options for 

transitioning the box girders at the ramp termini. The transition was kept off  of  the 

back span of  the extradosed portion of  the river crossing to the greatest extent 

possible. 

6.1.2  Box Girder Depth Economy Investigation 

The box girder depth economy investigation evaluated ways to economize the depth 

of  the box girder section from the west abutment to pier 6. As referenced in the 

VQM, the depth of  section of  the first 6 spans varies from 10 feet to 20 feet. The 10‐

foot depth is required to provide vertical clearance over TH 95 in Span 1 and the 20‐

foot depth is required to match the depth of  the extradosed spans. 

Page 54: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 54/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

6‐2  June 2010 

6.1.3  Fixity/Longitudinal Movement  Investigation 

The fixity/longitudinal movement investigation evaluated pier and bearing fixity 

requirements, pier stiffness effects due to thermal movements, and other issues 

unique to long, continuous bridges. Continuous structures are desired with 

expansion  joints only expected to be at the ends of  the extradosed spans and the 

west abutment.

 

6.1.4  Grade Induced Movement  Investigation 

The grade induced movement investigation evaluated potential of  the bridge to 

move permanently in the downhill direction and provide performance requirements 

for a Design‐Build RFP. The Minnesota approach spans of  Bridge 82045 (B‐55‐224) 

are on a ‐1.25% grade traveling toward Wisconsin. 

6.1.5  Box Girder Depth Transition Investigation 

The box girder depth transition investigation evaluated recommendations regarding 

the location of  the box girder depth transition. There are vertical clearance 

restrictions over TH 95 at the first span of  the river bridge approach spans that necessitate a 10‐foot maximum structure depth. The structure depth must increase 

at some location after spanning over TH 95 to accommodate longer span lengths 

and to match the depth of  the extradosed spans. In the concept plan shown in the 

VQM, the depth transition begins in Span 1  just east of  TH 95 and terminates at 

Pier 2. 

6.2  Investigation Methods: Longitudinal  Analysis 

As with all segmental bridges, the design is dependent on the construction sequence 

used to build the bridge. For the St. Croix River Crossing, the structural arrangement 

conforms to

 a balanced

 cantilever

 construction

 sequence.

 The

 substructure

 

consisting of  the foundation and pier is built first followed by construction of  the 

superstructure girder. Segments of  the girder are either cast on a form traveler for 

cast‐in‐place construction or erected using a deck mounted lifting system or 

land/water‐based crane for precast construction. As each segment is cast, or in the 

case of  precast, as each pair of  segments is erected, cantilever post‐tensioning 

tendons in the top flange that anchor at the ends of  the two cantilevers are installed 

and stressed. 

The construction at the various piers can proceed in a number of  sequences, but 

typically construction proceeds from one end of  the structure to the other end. As 

balanced cantilever

 construction

 is

 completed

 at

 a pier

 nearest

 to

 an

 abutment,

 a 

number of  segments adjacent to the abutment are supported on temporary 

falsework. A closure segment is cast between the two sections of  girder, and 

continuity post‐tensioning tendons in the bottom flange are installed and stressed to 

make the fist continuous span. As cantilever construction is completed at 

subsequent piers, a closure segment is cast between adjacent sections of  girder, and 

Page 55: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 55/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐3 

continuity post‐tensioning tendons in the bottom flange are installed and stressed to 

make the span continuous. 

Cantilever construction and 

the span closures change the 

structural system. Coinciding 

with these

 changes

 are

 time

 

dependent effects due to 

increasing concrete strength, 

concrete creep and 

shrinkage, and post‐

tensioning steel relaxation 

which must be considered in 

the design of  segmental 

structures. Once the 

structure is completed, the 

time dependent

 effects

 

continue to occur, and the 

analysis evaluates these 

effects for a predetermined 

time interval, typically to 

10,000 days, which is defined as time infinity, when it is assumed all time dependent 

effects have occurred. 

Figure 6‐2. Detail of  Segments on Pier and Accurate Section Property Input 

Following the 10,000‐day analyses, external loads such as truck and wind forces 

were applied to the completed structure. Stresses were checked for conformance 

within AASHTO LRFD limits. These stress checks include limit states before and after 

construction. 

Figure 6‐1. Balanced Cantilever Construction Method 

(Modeling of  Construction Stage 6, Bridge 82048) 

Page 56: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 56/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

6‐4  June 2010 

Figure 6‐3. Stress Output Checked at 10 Locations in the Cross‐section 

6.3  Baseline Model Description 

6.3.1  Piers 

The VQM illustrates twin stem wall piers having a curved surface on the outward 

faces looking

 up

 station

 and

 down

 station.

 These

 double

‐stem

 piers

 vary

 in

 width

 

from top to bottom with the smaller dimension at the top of  the stem walls. A 

diagonal cut on the side faces provides the taper. From the side, the outer and inner 

stem faces are plumb, but the diagonal cut provides a side face that decreases in 

dimension from top to bottom. The top width of  the stem walls matches the bottom 

flange width of  the box girder. 

The double stem piers were examined through initial visual renderings, bridge 

elevation views of  each structure, approximate material quantities and an estimated 

construction impacts. Through discussions with Mn/DOT and the VQAC, there was 

general consensus that a single stem pier would be preferred to obtain 

constructability, economic

 and

 visual

 benefits.

 Since

 substructure

 geometry

 

significantly affects the structural analysis, all models were suffixed with either an 

“A” or “B” to indicate whether double‐stem piers or single‐stem piers were 

modeled, respectively. In other words, structural model 82045_R1A was variation 1 

on the baseline model and utilized double‐stem columns, whereas model 

82045_R1B was baseline variation one with single‐stem columns. 

Page 57: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 57/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐5 

From our analyses it is apparent that a single stem column is a viable option with the 

caveat that expansion  joint locations will require a wider platform for bearings and 

 jack area for bearing replacement. This wider platform would equate to a single 

column with an approximately 14’‐6” longitudinal dimension at Ramp Pier 5R and 

the three columns of  Pier 7. Alternatively, double‐stem columns connected with a 

pier cap

 may

 be

 utilized.

 

Figure 6‐4. Pier 1 on TH 36 (Bridge No. 82045) 

Page 58: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 58/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

6‐6  June 2010 

Figure 6‐5. Typical Pier on TH 36 Approaches (Others Similar) 

6.3.2  Box Girders 

The baseline box girders along the TH 36 mainline are comprised of  a 3‐cell cross‐

section, with two vertical interior webs and two inclined exterior webs. The bridge 

begins at the west abutment with 10‐foot deep box girders that transition to a 20‐

foot deep box girder from the end of  span 1 throughout span 2. These girders are 

typically 42’‐8” wide at the top flange or roadway level, with a 16.0‐foot width at the 

girder soffit. The exterior webs and soffit have circular curved faces with a radius of  

66.0 feet. The individual curves meet at the web‐soffit intersection, forming an 

angular break point. The exterior webs curve to vertical at roadway level by the 

addition of  a smaller radius curve within the top 3 feet of  the web. 

The baseline N.E. and S.E. ramp box girders emulate the shape of  the mainline 

girders. The depth of  these ramp girders was undefined prior to preliminary design, 

although there was some indication in the proposed railroad and Plant Access Road 

Page 59: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 59/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐7 

profiles that these girders would be 10 feet deep at these crossings. Considering this 

indication, preliminary design proceeded with the assumption that the approach 

ramp structures should also include a box girder depth transition from 10 feet to 

20 feet. This assumption fit the ramp structures well because a constant 20’‐foot 

depth appeared visually too deep for the ramps, especially as these structures 

descended toward

 the

 respective

 exit

 or

 entrance

 intersection.

 

The baseline ramp box girders are typically 27’‐4” wide at the top flange or roadway 

level, with a 12.0‐foot width at the girder soffit. The exterior webs and soffit have 

circular curved faces with a radius of  50.0 feet for the exterior webs and 36.0 feet 

for the soffit. The individual curves meet at the web‐soffit intersection, forming an 

angular break point. The exterior webs curve to vertical at roadway level by the 

addition of  a smaller radius curve at the top 3 feet of  the web. 

Figure 6‐6. Baseline Approach Box Girders 

The top flange of  the box girder is haunched adjacent to each web to provide room 

for post‐tensioning anchorages on either side of  the interior webs, and on the 

interior side of  the exterior webs. The bottom flange is similarly haunched adjacent 

to the interior webs to permit the top surface of  the flange to follow the curved 

soffit face and reduce the flange thickness at the midspan between the webs. 

6.3.3  Transition Span 

The approach span adjacent to the extradosed river spans is a transition span that 

has a wider cross‐section to accommodate the on‐ramp and off ‐ramp lanes. The 

cross‐section consists of  two box girder similar to the mainline, but the box girder 

dimensions vary to accommodate the additional roadway width. 

6.3.4  Pedestrian Trail 

A pedestrian trial cantilevers from the edge of  the transition span and the northern 

ramp box girder. The trail consists of  a sidewalk slab supported by concrete brackets 

attached to the box girder at approximately 20‐foot interval. 

The six bridges are divided into four baseline models as follows: 

The initial focus was on determining constructible and feasible box sections for use 

in modeling. These design sections made use of  repeatable forms and were 

Page 60: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 60/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

6‐8  June 2010 

conceptually compatible with the VQM intent. Areas of  wide variation were 

relegated to cast‐in‐place construction on falsework. Such sections were kept 

minimal to limit the environmental impacts and cost impacts, but nonetheless these 

areas were accurately modeled in the analyses for construction staging and tendon 

geometry. Bridge 82045 was modeled in a baseline model consisting of  double‐stem 

piers in

 and

 five

‐span

 configuration

 as

 illustrated

 in

 Figure

 6‐7 and

 Figure

 6‐8 and

 

Table 6‐1. Consistent with the model naming convention, the analysis is termed 

82045E‐r0A to indicate Bridge 82045, Eastbound in the baseline configuration with 

double‐stem columns. 

Figure 6‐7. Baseline Model 82045E‐r0A, Bridge 82045 EB (EB TH 36) 

Figure 6‐8. Plan and Elevation of  Baseline Model, Bridge 82045 EB (EB TH 36) 

Page 61: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 61/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐9 

Table 6‐1. Baseline Span Arrangement 

Bridge No. 

Length 

(feet) 

Span Arrangement from 

West to East (feet)  Comment 

82045 (EB)  1609  180‐229‐300‐300‐300  Mainline eastbound 

82045 (WB)  1609  180‐229‐300‐300‐300  Mainline westbound, similar to eastbound and 

not uniquely

 modeled

 

82045 (EB)  300  300  Transition eastbound 

82045 (WB)  300  300  Transition westbound, similar to eastbound and 

not uniquely modeled 

82047  1031  125‐300‐300‐301  Off ‐ramp TH 36WB/TH 95 

82048  1296  91‐300‐300‐300‐300  On‐ramp TH 36EB/TH 95 

Pursuant to the study’s objectives, the baseline box girder depth of  20 feet was 

investigated in both the extradosed and approach unit models and span 

arrangements. In

 the

 extradosed

 span,

 an

 optimal

 depth

 of 

 16

 feet

 was

 determined

 

by balancing girder and cable requirements. In the approach units, however, the 16‐

foot depth was not structurally viable in the transition span with the baseline span 

configuration. One reason for this is that the N.E. and S.E. ramp expansion  joints 

force the transition span to be a single‐span, separate structure. Precast, balanced 

cantilever construction envisioned for much of  the bridge construction is not 

possible in a single‐span configuration. Therefore, the baseline configuration would 

require a 20‐foot deep box girder in the 300‐foot transition span that would be 

entirely cast on falsework. 

This finding initiated a focus on the transition span and span alternatives. Four goals 

were set

 for

 the

 transition

 span

 investigation:

 

  To enable construction via the precast balanced cantilever method 

  To minimize the falsework and associated permanent impacts in the wetlands 

below 

  To move the expansion  joints over the support locations and eliminate hinges for 

maintenance reasons 

  To enable use of  a 16‐foot deep structure that was compatible with the optimal 

structure depth found for the extradosed spans 

Decreasing the box girder depth to 16’ would also introduce savings in material and 

support structure costs due to the increased weight of  the superstructure. 

Parallel to the girder depth investigation, the baseline spans were examined for 

feasibility. Results from these analyses indicated Bridge 82045 appeared to have a 

viable arrangement given the 20’ box girder depth, but the N.E. and S.E. ramps had 

baseline span arrangements that were not only inefficient but appeared impractical 

for the 10‐foot box girder depth near the end spans as suggested by the profiles. For 

this reason, no baseline model was developed for the N.E. and S.E. Ramps according 

Page 62: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 62/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

6‐10  June 2010 

to the VQM, or baseline, span arrangement. Instead, variations of  span 

arrangements were investigated using engineering  judgment which suited: 

  The VQM box girder section 

  Site constraints such as wetland avoidance and railroad clearances 

  Balanced cantilever construction method to minimize heavy duty falsework in 

sensitive areas

 

The resulting span arrangements were drafted and presented at a wetland 

coordination meeting on September 2nd, 2009. The proposed changes to span 

configuration as suggested by PB were agreeable to the stakeholders and it was 

agreed to further advance these configurations as the preferred arrangement. These 

preferred arrangements are described in detail in the next sections. 

6.4   Alternative R1 Investigation 

Alternative R1 is the result of  girder depth investigations, span efficiency and site 

constraints. The R1 span arrangements are indicated in Table 6‐2. 

Table 6‐2. Span Arrangement “R1” 

Bridge No. 

Length 

(feet) 

Span Arrangement from 

West to East (feet)  Comment 

82045 (EB)  1909  184‐224‐300‐300‐183‐161  Mainline eastbound 

82045 (WB)  1909*  184‐235‐300‐300‐183‐161*  Mainline westbound 

82047  1031  104‐195‐243‐233‐202  Off ‐ramp TH 36WB/TH 95 

82048  1296  126‐192‐199‐199‐199‐199‐168  On‐ramp TH 36EB/TH 95 

*Indicates span measurement with respect to EB TH 36 alignment 

Within the

 R1

 span

 arrangement,

 various

 column

 configurations

 were

 investigated.

 

These models were suffixed with a letter designation to indicate the column type 

used in the investigation. The suffixes to date are as follows: 

  A = baseline model with double stems typical except at Pier 1, Bridge 82045 

  B= single stem columns with an 8‐foot longitudinal dimension and f’c=4 ksi 

  C = single stem columns with an 6‐foot longitudinal dimension and f’c=5 ksi 

In all of  these instances bridge modeling using true coordinates along the respective 

alignment. However, a horizontal datum of  70’ was established for a constant girder 

elevation while the column heights were correctly calibrated to the height from PGL 

to top of  footing. At the top of  footing, 3 rotational and 3 translational springs serve 

to emulate the group pile behavior. These springs were determined elastically from 

a refined piling arrangement and checked through the use of  industry‐standard Lpile 

Group software. 

Page 63: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 63/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐11 

For all bridges it is assumed that a 

pair of  bearings supports the 

superstructure at the West 

Abutments, Pier 1 and the end piers. 

The introduction of  bearings at the 

West Abutment

 and

 Pier

 1 are

 due

 to

 

the short height of  these support 

structures, which creates a high 

stiffness and resistance against 

thermal movements. The end pier 

bearings are necessary because they 

are expansion  joint locations. 

Bridge 82045 EB was modeled with 

both a double‐stem column and a 

single‐stem column. These two 

models served

 as

 a basis

 for

 

evaluating the viability of  the single‐stem piers. Once verified, column option A 

(Double‐stem columns) were eliminated due to Mn/DOT preference and column 

option B was continued through analyses that included WB TH 36 and the N.E. and 

S.E. ramps. Figure 6‐10 through Figure 6‐12 illustrate the various analyses that were 

developed in this program. 

Figure 6‐10. Model 82045E‐r1A—Double‐stem Columns in Alternative R1 Span Arrangement 

Figure 6‐9. Plan and Elevation of  Alternative “R1” 

Models for EB and WB TH 36. 

Page 64: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 64/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

6‐12  June 2010 

Figure 6‐11. Model 82045E‐r1B—Single‐stem Columns in Alternative R1 Span Arrangement 

Figure 6‐12. Plan and Elevation of  Model 82045W‐r1B—WB TH 36 with Single‐stem 

Columns in Alternative R1 Span Arrangement 

Page 65: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 65/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐13 

Bridge 82047, or the N.E. Ramp, includes a cantilevered sidewalk in the VQM which 

was integrated with the box section after discussions with Mn/DOT. With the 

inclusion of  the sidewalk, this ramp has a width very comparable with the typical TH 

36 approach unit segments and a consistent shape was utilized. At the West end, 

two turn lanes are added on the structure necessitating variable width sections up 

to 60’

‐6”

 in

 width.

 A

 depth

 increase

 of 

 6‐foot

 is

 introduced

 in

 span

 four

 to

 match

 the

 

depth of  TH 36 box girder at Pier 5R. This depth increase suits the higher end span 

moments and provides a visually appropriate transition. 

Figure 6‐13. Bridge No. 82047 (NE Ramp) Stick Model and Rendered Model 

Figure 6‐14. Bridge No. 82047 Rendered Plan and Elevation from Structural Model with Details 

Page 66: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 66/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

6‐14  June 2010 

Bridge 82048 (SE Ramp) is the narrowest and the longer of  the two ramps. The ramp 

width is largest at the beginning where the roadway would permit three 12‐foot 

lanes and narrows to a 24’‐0 roadway for two potential loading lanes. Although the 

roadway width is amenable to a single‐cell box girder, this bridge has been 

envisioned as a two‐cell box girder due to the lack of  counter‐balancing overhangs. 

Without cantilever

 overhangs

 to

 decrease

 the

 top

‐slab

 span,

 high

 restraint

 forces

 

will develop directly under the barriers and necessitate more transverse post‐

tensioning and a thicker, heavier slab section. For these reasons, a two‐cell structure 

presents more efficiency than a single cell girder. The box girder depth transition is 

placed in the second span from the end of  the ramp to enable the deeper girder’s 

effectiveness in the end span. Model R1B is illustrated in Figure 6‐15 through 

Figure 6‐16. 

Figure 6‐15. Bridge No. 82048 (SE Ramp) Stick Model (Left) 

and Rendered Sectional Model (Right) 

Figure 6‐16. Bridge No. 82048 (SE Ramp) Plan and Elevation View of  Rendered Model 

Page 67: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 67/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  6‐15 

6.4.1  Grade-Induced Movement  Investigations 

Grade induced movement was examined by using two models that were identical in 

all respects except the grade. For this investigation the EB Bridge 82045 Alternative 

R1 was used. To exaggerate the effects, a grade of  5% was modeled in lieu of  the 

actual 1.25% slope. Both models were run and the displacements at Pier 7, the 

downhill end

 support,

 were

 examined.

 

As can be seen in Table 6‐3, no appreciable difference is observed. The results are 

taken at a time equal to 10,000 days after construction, which is an industry‐

standard time for which all construction‐induced load effects should be realized 

(Self ‐weight, elastic shortening, creep, shrinkage, etc.). 

Table 6‐3. Grade‐induced Movement Results 

Model 

Description  Time 

DX 

(Feet) 

DY 

(Feet) 

DZ 

(Feet) 

Vector Sum, Net 

movement 

(Feet) 

Horizontal 

T_INFINITY  ‐

0.194  ‐

0.236  ‐

0.042 

0.305 

5% grade  T_INFINITY  ‐0.194  ‐0.236  ‐0.037  0.306 

Figure 6‐17. Models Used in Investigating Grade‐induced Deflection 

Page 68: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 68/110

Page 69: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 69/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐1 

7  Bridge Lighting and Signing 

7.1  Review of  Requirements for  Architectural and Roadway Lighting 

The Visual Quality Manual discusses many aspects of  the different types of  lighting 

for the bridge, roadway, and trail. These include specific concerns about the impact 

of  lighting

 as

 well

 as

 the

 lighting

 approach

 to

 be

 used

 for

 different

 areas.

 

Specific concerns included: 

  Design should minimize the negative impact that bridge lighting could have on 

the scenic river valley. 

  Lighting should meet the needs for required safety levels but minimize 

“spillover” into the riverway. 

  Architectural lighting must be thoughtfully designed to enhance the structure 

without intruding into the sensitive natural environment. 

Preliminary investigations were conducted during the preparation of  the VQM into 

various types

 of 

 lighting

 approaches.

 The

 results

 of 

 these

 investigations

 arrived

 at

 the following recommendations. 

  Roadway lighting using davit poles with twin arms and contemporary style 

luminaires mounted in the median. 

  A “white” light source such as metal halide is preferred due to aesthetic and 

quality reasons 

  Trail lighting could use a low level lighting system to provide adequate 

pedestrian visibility with minimized light trespass. 

  Navigation channel lighting is not required but lighting identifying the piers 

locations for boaters is required for safety reasons. 

  FAA

 

obstruction 

lights 

are 

required 

at 

the 

tops 

of  

the 

pier 

towers. 

These concerns and recommendation were carried into this phase of  design and are 

addressed and discussed in the various lighting approaches in this report. 

7.2  Lighting Criteria 

Aesthetic lighting for the St. Croix River Crossing will accent its unusual forms. These 

derive from the extradosed structural design and the biomorphic aesthetic concept. 

The effects under consideration include illuminating the cables from below with 

narrow beam floodlights, grazing the tower surfaces either inside or outside, and 

outlining selected features with direct view fixtures. For floodlighting options the 

criteria of 

 the

 Illuminating

 Engineering

 Society

 (IES)

 will

 apply.

 The

 criteria

 recommended in IES RP‐33‐99 Lighting for Exterior Environments is shown in 

Table 7‐1 (excerpted from Table 2 of  that document). 

Page 70: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 70/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐2  June 2010 

Table 7‐1. Illuminance Levels for Floodlighting Buildings and Monuments 

Area Description 

Average Target Illuminance (Vertical) 

(lux/footcandles) 

Bright surroundings and light surfaces  50/5 

Bright surroundings and medium light surfaces  70/7 

Bright surroundings and dark surfaces  100/10 

Dark surroundings and light surfaces  20/2 

Dark surroundings and medium light surfaces  30/3 

Dark surroundings and medium dark surfaces  40/4 

Dark surroundings and dark surfaces  50/5 

The vertical value on the structural elements will be designed to 20 to 30 lux (2 to 3 

footcandles) associated with the categories of  Dark Surroundings and Light to 

Medium Light Surfaces (note : RP‐33 has an error in the table description). 

For roadway lighting criteria the recommendations of  IESNA Recommended Practice 

8‐00 and AASHTO Guide for Roadway Lighting apply. The criteria recommended in 

ANSI/IES RP‐8‐05 Standard Practice for Roadway Lighting is shown in Table 7‐2 and 

Table 7‐3. 

Table 7‐2. Illuminance Method—Recommended Values 

Road 

Pedestrian 

Conflict 

Area 

Pavement Classification 

(minimum maintained average values)  Uniformity 

Ratio 

Eavg/Emin 

Veiling 

Luminance 

Ratio 

Lmax/Lavg 

R1 

(lux/fc) 

R2 & R3 

(lux/fc) 

R5 

(lux/fc) 

Freeway Class A  6.0/0.6  9.0/0.9  8.0/0.8  3.0  0.3 

Freeway Class B  4.0/0.4  6.0/0.6  5.0/0.5  3.0  0.3 

Expressway  High  10.0/1.0  14.0/1.4  13.0/1.3  3.0  0.3 

Medium  8.0/0.8  12.0/1.2  10.0/1.0  3.0  0.3 

Low  6.0/0.6  9.0/0.9  8.0/0.8  3.0  0.3 

Major  High  12.0/1.2  17.0/1.7  15.0/1.5  3.0  0.3 

Medium  9.0/0.9  13.0/1.3  11.0/1.1  3.0  0.3 

Low  6.0/0.6  9.0/0.9  8.0/0.8  3.0  0.3 

Collector  High  8.0/0.8  12.0/1.2  10.0/1.0  4.0  0.4 

Medium 

6.0/0.6 

9.0/0.9 

8.0/0.8 

4.0 

0.4 

Low  4.0/0.4  6.0/0.6  5.0/0.5  4.0  0.4 

Local  High  6.0/0.6  9.0/0.9  8.0/0.8  6.0  0.4 

Medium  5.0/0.5  7.0/0.7  6.0/0.6  6.0  0.4 

Low  3.0/0.3  4.0/0.4  4.0/0.4  6.0  0.4 

Page 71: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 71/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐3 

Table 7‐3. Luminance Method—Recommended Values 

Road 

Pedestrian 

Conflict 

Area 

Average 

Luminance 

Lavg 

(cd/m

2

Uniformity 

Ratio 

Lavg/Lmin 

(max 

allowed) 

Uniformity 

Ratio 

Lmax/Lmin 

(max 

allowed) 

Veiling 

Luminance 

Ratio 

Lmax/Lavg 

(max 

allowed) 

Freeway Class A  0.6  3.5  6.0  0.3 

Freeway Class B  0.4  3.5  6.0  0.3 

Expressway  High  1.0  3.0  5.0  0.3 

Medium  0.8  3.0  5.0  0.3 

Low  0.6  3.5  6.0  0.3 

Major  High  1.2  3.0  5.0  0.3 

Medium  0.9  3.0  5.0  0.3 

Low  0.6  3.5  6.0  0.3 

Collector  High  0.8  3.0  5.0  0.4 

Medium  0.6  3.5  6.0  0.4 

Low  0.4  4.0  8.0  0.4 

Local  High  0.6  6.0  10.0  0.4 

Medium  0.5  6.0  10.0  0.4 

Low  0.3  6.0  10.0  0.4 

The American Association of  State Highway and Transportation Officials (AASHTO) 

also have recommendations in the AASHTO Roadway Lighting Design Guide 2005 

which, 

in 

general, 

are 

in 

agreement 

with 

the 

IES 

and 

are 

shown 

in 

Table 

7‐

4. 

Based on these recommendations considering the bridge roadway to be classified as 

a freeway, a average illuminance of  6 to 12 lux (.6 to 1.1 footcandles) and average 

luminance of  0.4 to 1.0 candelas/square meter (cd/m2) would be suitable design 

ranges. 

For the pedestrian area adjacent to the roadway, the lighting criteria described in IES 

DG‐5‐94 Recommended Lighting for Walkways and Class 2 Bikeways is most suitable. 

RP‐8 has a pedestrian area criteria but it applies to sidewalks and walkways adjacent 

to the roadway where pedestrian conflicts can occur. The bridge pedestrian walkway 

is separated and protected from the roadway so the recommendations of  DG‐5 are 

more applicable.

 

Using Table 2 of  this guide and classifying the bridge walkway as a pedestrian 

overpass an average horizontal value of  2 lux (0.2 footcandles) and a vertical 

illuminance values of  5 lux (0.5 footcandles) should be used. 

Page 72: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 72/110

Page 73: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 73/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐5 

Table 7‐5. Recommended Illumination (Values in lux) 

Average Conditions  Special Conditions1 

Avg Maintained 

Illuminance 

Levels 

Horizontal Levels (Eavg)2 

Horizontal 

Avg to

 Min

 Avg 

Min 

Maintained 

Avg Vertical

 Levels (Eavg)3 

Avg to

 Min

 Ratio 

Sidewalks along streets by area classifications4 

Commercial  10  4:1  20  5:1 

Intermediate  5  4:1  10  5:1 

Residential  2  10:1  5  5:1 

Park walkways and class I bikeways  5  10:1  5  5:1 

Pedestrian tunnels  20  4:1  55  5:1 

Pedestrian overpasses  2  10:1  5  5:1 

Pedestrian stairways  5  10:1  10  5:1 

7.3  Lighting  Alternatives  Analysis 

7.3.1  Source Selection 

Based on the direction of  the Visual Quality Manual for the use of  a “white” light 

source like metal halide, a review of  possible sources meeting this criteria was 

evaluated. The types of  lamps which were considered were: 

  Metal Halide 

  Fluorescent 

  Induction

   LED 

Each of  these sources has unique operating characteristics in terms of  efficiency, 

lamp life, temperature impacts, and lumen depreciation, so a description of  each is 

included below with an expanded description of  LED’s. Because LED’s are a solid 

state device and not a conventional lamp type, more information is provided 

including some LED “basics”. 

Metal Halide 

Metal halide lamps are high intensity discharge lamps which operate by vaporizing 

various materials at extremely high voltages, stabilizing after ignition. Metal halide 

lamps are available in various color temperatures and are fairly efficient at about 70‐

80 lumens per watt. The life of  a metal halide lamp will range from about 12,000 to 

20,000 hours depending on the lamp wattage used (rated life is determined as the 

time when 50% of  the lamps have failed). Metal halide lamps do experience some 

color shift during their life and generally need to be in enclosed luminaires. The 

lamps are prone to shortened life in conditions encountering sustained vibration 

because of  arc tube failure and mechanical failure of  the lamp components. 

Page 74: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 74/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐6  June 2010 

Fluorescent  / Induction 

Fluorescent sources operate by generating an ultraviolet arc spanning over two ends 

of  the lamp. As the ultraviolet energy comes in contact with phosphors it produces 

visible light. Induction technology uses coils, external to the lamp to generate an 

electric field to perform this function. The use of  these external coils, operating at 

high frequency,

 help

 extend

 the

 lamp

 life

 of 

 this

 source

 to

 over

 100,000

 hours.

 

Linear fluorescent lamps are sometimes considered for bridge lighting because of  

their long life and efficiency. Typical arrangements are as linear rail lights or accent 

lighting. A T8 fluorescent lamp with reduced mercury content, operating in 

conjunction with a programmed start ballast will provide a lamp life of  over 40,000 

hours and a system efficiency of  approximately 110 lumens per watt. The lamps with 

electronic ballasts are durable in high vibration environments when used in properly 

designed fixtures. Temperature however does effect lamp output. Typically 

optimized for a bulb wall temperature of  77 degrees F, the lamps output can be 

reduced by over half  in very cold environments. 

Induction lamps have a lower efficiency than some linear fluorescent lamps, 

operating at approximately 75‐80 lumens per watt. Lamp life is very long at 

approximately 100,000 hours. The end of  life of  an induction system is typically 

when the high frequency driver fails to operate. LED 

(parts of  the text  included  in this section are excerpted   from the US Department  of  Energy  documents at  www.netl.doe.gov)  LEDs differ from traditional light sources in the way they 

produce light. In an incandescent lamp, a tungsten 

filament is heated by electric current until it glows or emits 

light. In a fluorescent lamp, an electric arc excites mercury 

atoms, which emit ultraviolet (UV) radiation. After striking 

the phosphor coating on the inside 

of  glass tubes, the UV radiation is 

converted and emitted as visible 

light. 

An LED, in contrast, is a 

semiconductor diode.

 It

 consists

 of 

 a chip of  semiconducting material 

treated to create a structure called 

a p‐n (positive‐negative)  junction. 

When connected to a power 

source, current flows from the p‐

side or anode to the n‐side, or cathode, but not in the reverse direction. Charge‐

carriers (electrons and electron holes) flow into the  junction from electrodes. When 

Figure 7‐1. Typical LED 

Figure 7‐2. Schematic of  LED Operation 

Page 75: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 75/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐7 

an electron meets a hole, it falls into a lower energy level, and releases energy in the 

form of  a photon (light). 

The specific wavelength or color emitted by the LED depends on the materials used 

to make the diode. 

Red LEDs are based on aluminum gallium arsenide (AlGaAs). Blue LEDs are made 

from indium gallium nitride (InGaN) and green from aluminum gallium phosphide 

(AlGaP). “White” light is created by combining the light from red, green, and blue 

(RGB) LEDs or by coating a blue LED with yellow phosphor. 

Color  Characteristics Unlike incandescent and fluorescent lamps, LEDs are not inherently white light 

sources. Instead, LEDs emit light in a very narrow range of  wavelengths in the visible 

spectrum, resulting in nearly monochromatic light. This is why LEDs are so efficient 

for 

colored 

light 

applications 

such 

as 

traffic 

lights 

and 

exit 

signs. 

However, 

to 

be 

used 

as a general light source, white light is needed. 

White light can be generated from LED’s by either coating a blue LED with a yellow 

phosphor, or by using monochromatic red, green, and blue (RGB), LED’s and 

operating them at different levels to “mix” and create white, or any other color light. 

For most applications were the light source is visible, white (coated) LED are used. 

For RGB configurations, unless using an intermediate optic material, when viewing 

the sources directly you can see the individual red, green and blue LED’s and the 

source does not appear white. When applied to a surface however the mix of  the 

colors creates a white surface. 

LED’s with a high correlated color temperature (which are “cooler” or bluer in 

appearance) tend to be the more efficient LED’s in terms of  lumens per watt of  

power consumed. “Warmer” LEDs are available but have a slightly lower efficiency.. 

Page 76: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 76/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐8  June 2010 

Photometric  Characteristics LED’s are available in different emitting patterns. An example of  a typical pattern 

(from Phillips Luxeon K2) is shown in Figure 7‐3 and Figure 7‐4. 

Figure 7‐3. Typical Representative Spatial Radiation Pattern for White Lambertian 

Figure 7‐4. Typical Polar Radiation Pattern for White Lambertian 

Page 77: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 77/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐9 

Effect  of  Electrical  Variations The light output of  an LED is related to the amount of  current it is being operated. 

The greater the current, the higher the light output of  the LED. These variations in 

current also alter the useable life and efficiency of  the LED. It is important to look at 

the performance data provided for particular LED’s and the current that they will be 

actually operated.

 

Table 7‐6. Flux Characteristics for LUXEON K2 with TFFC Junction and Case Temperature = 25 C 

Minimum Performance at Test Current  Typical Performance at Indicated Current 

Color  Part Number 

Minimum 

Luminous Flux 

(lm) at 100 mA 

Typical Luminous Flux (lm) 

at 1600 mA  at 700 mA  at 350 mA 

Cool White  LXK2‐PWC4‐0200  200  275  170  95 

LXK2‐PWC4‐0180  180  250  150  85 

LXK2‐PWC4‐0160  160  220  135  75 

Figure 7‐5. Typical Luminous Flux 

Page 78: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 78/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐10  June 2010 

LED’s also require a driver, similar to the way a fluorescent and high‐intensity 

discharge (HID) light sources cannot function without a ballast, which provides a 

starting voltage and limits electrical current to the lamp. The driver converts line 

power to the appropriate voltage (typically between 2 and 4 volts DC for high‐

brightness LEDs) and current (generally 200‐1000 milliamps or mA), and may also 

include dimming

 and/or

 color

 correction

 controls.

 

Currently available LED drivers are typically about 85% efficient. So LED efficacy 

should be discounted by 15% to account for the driver. 

Effect  of  Temperature The luminous flux figures cited by LED manufacturers are based on an LED  junction 

temperature (Tj) of  25°C. LEDs are tested during manufacturing under conditions 

that differ from actual operation in a fixture or system. In general, luminous flux is 

measured under instantaneous operation (perhaps a 20 millisecond pulse) in open 

air. Tj will always be higher when operated under constant current in a fixture or 

system. 

LEDs 

in 

well‐

designed 

luminaire 

with 

adequate 

heat 

sinking 

will 

produce 

10%‐15% less light than indicated by the “typical luminous flux” rating. 

Source: Philips Luxeon K2—(10/07) Figure 7‐6. Typical Light Output Characteristics Over Temperature 

(Cool‐White at Test Current) 

Estimated  Life LED’s, much like the mercury lamp, will continue to operate for long periods of  time 

but at a steadily deteriorating light output. For this reason the estimated life of  an 

LED cannot be based on how long it is still operating but how long it is still being an 

effective lighting source. Research (ref. Mark Rea, Lighting Research Center, 2000) 

has shown that for general lighting, a majority of  occupants can accept a lighting 

level reduction of  up to 30%, when done gradually. For this reason, as well as for 

Page 79: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 79/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐11 

standardization, the life of  an LED is established to be the time when its’ light level 

has been reduced to 70% of  its initially rated value. This is called an L70 life. 

Source:  Adapted   from Bullough,  JD. 2003. Lighting Answers: LED Lighting Systems. Troy, NY. National  Lighting Product  Information Program, Lighting Research Center, Rensselaer  Polytechnic Institute. 

Figure 7‐7. Typical Lumen Maintenance Values for Various Light Sources 

By this

 method,

 most

 currently

 available

 LED’s

 are

 rated

 between

 40,000

 and

 60,000

 

hours of  life at rated current. Much longer operating life can be obtained by 

operating the LED’s at a lower forward current and  just using more LEDs. LED life can 

be extended 120,000 hours or higher by driving the LEDs at reduced current. 

Because LEDs are solid state devices, without arc tubes, they are very stable in high 

vibration environments such as bridges assuming proper construction of  the sold 

state elements and circuit boards. 

The advancement of  LED technology is exponentially faster than conventional lamp 

sources. Based on current advancements and expected continuation, LEDs should 

surpass all other sources in terms of  operating life and energy efficiency within the 

next 2 years.

 When

 looking

 at

 current

 technology

 and

 the

 future

 potential,

 the

 use

 

of  LEDs seem appropriate for the St. Croix River Crossing if  used with lower drive 

currents and lower color temperatures to better compliment the proposed finishes 

of  the bridge and eliminate the environmental impacts of  higher color temperature 

sources. 

7.4   Architectural Lighting The architectural lighting options 

for the bridge ranged from no 

accent lighting to either 

floodlighting or

 using

 point

 

sources to accent most of  the 

structure and cables. In this 

section of  the report we will 

discuss the progression of  each 

option as designed and presented 

to the Visual Quality Committee and where consensus was reached. 

Figure 7‐8. Base Architectural Lighting Option 

Page 80: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 80/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐12  June 2010 

The base architectural lighting option looked at no accent lighting for the bridge 

structure using only required lighting for basic motorist safety. The roadway was 

illuminated to the required lighting levels discussed in the criteria section using 

metal halide lamps in standard cobra head style full cutoff  luminaires on 35’ davit 

arm style pole with 8’ arms. The walkway area met the minimum required horizontal 

values. 

7.4.1  Option 1A From the base option of   just 

using the roadway lighting, the 

roadway lighting luminaires were 

replaced with LED luminaires 

having increased 

distribution/output to the front 

side of  the luminaire. This 

allowed more lighting to be 

placed on

 the

 cables

 from

 the

 

roadway lighting equipment. 

The roadway lighting however is 

mounted on the median which is 

not centered between the cables 

due to the addition of  the 

walkway on one side of  the 

bridge. Because of  this, the 

lighting on the cables is different 

depending on which direction 

the bridge

 is

 viewed.

 Looking

 south,

 the

 cables

 are

 mostly

 illuminated.

 Looking

 

north, the illuminated section of  the cables is not as high due the increased distance 

to the luminaire so the effect is less pronounced. 

Floodlights were added at the 

base of  the piers which light the 

inside surface of  the split pier. 

Four floodlights were used for 

each pier consisting of  narrow 

beam LED floodlights. These 

floodlights were also RGB color 

change floodlights

 allowing

 the

 

lower piers to change color for 

the purpose of  special occasions 

or significant events. The RGB 

LED arrangement can be tuned to produce virtually any color. In addition, each 

group of  floodlights on each pier and be individually controlled and set to different 

preset colors. 

Figure 7‐9. Lighting Option 1a 

Figure 7‐10. Lighting Option 1b 

Page 81: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 81/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐13 

7.4.2  Option 2A 

The next lighting alternative 

investigated was to add LED 

floodlights to the upper portion 

of  the towers. The intent of  the 

floodlighting alternatives

 

analysis is to keep adding layers 

of  light in an attempt to reach 

the proper balance and 

perspective. 

Two LED floodlights were used 

at the top portion of  the pier 

directed down the face of  the 

tower. These additional 

floodlights added the effect of  

visually lengthening

 the

 

perceived height of  the towers. 

It also has the effect connecting 

the bottom to the top of  the 

towers. 

The negative effects of  these 

lights include the addition of  

more lighting into the night 

environment at the bridge and it 

did somewhat compete with the cable lighting. Because the inside surface of  the 

cables are

 illuminated,

 an

 observer

 sees

 the

 cable

 lighting

 on

 the

 opposite

 side

 of 

 

the bridge. Unless directly lined up with the bridge, the illuminated tower would not 

usually line up with the illuminated cables causing some clutter and potentially an 

unbalanced appearance. 

Figure 7‐11. Lighting Option 2a 

Figure 7‐12. Lighting Option 2b 

Page 82: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 82/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐14  June 2010 

7.4.3  Option 2AA The next progression of  surface 

floodlighting included another 

group of  floodlights mounted at 

the top

 of 

 the

 towers

 to

 light

 the

 inside face of  the towers. These 

additional floodlights would add 

symmetry to the illuminated 

surfaces of  the bridge and also 

increase the visual interest to the 

motorist passing over the bridge. 

When using the white light the 

floodlights did seem to more 

evenly balance the bridge. From 

the roadway

 the

 lighting

 also

 helped accentuate the full tower 

height. The color change option 

however did not produce the 

same results. The roadway 

lighting, particularly with the 

higher angle forward distribution 

tended to wash out the color 

impact of  the floodlights and 

make the effect somewhat 

muddy and inconsistent. 

Figure 7‐13. Lighting Option 2aa 

Figure 7‐14. Lighting Option 2bb 

Page 83: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 83/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐15 

7.4.4  Option 3 Option 3 investigated the use of  

a conventional method of  cable 

lighting. Cable lighting for 

bridges can

 be

 done

 in

 two

 ways

 resulting in different effects. The 

most often used method is 

floodlights mounted at the base 

of  the cable aimed along its 

length towards the tower. This 

type of  lighting tends to 

uniformly light the cables 

regardless of  the viewing 

direction. Cable grazing is 

another lighting method where 

the floodlights

 are

 arranged

 

along the bridge and aimed 

vertically, grazing the cables. 

With this type of  arrangement 

the cables appear more brightly 

lit on the side of  the tower 

where the observer is located. 

When the observer changes, so 

does the location of  perceived 

brightness for the cables. For 

this alternative

 however

 the

 first

 method was used aiming along 

the cables. This option can be 

done with standard metal halide 

floodlights or with LED 

floodlights. 

While this arrangement does give the towers a strong visual appearance from a 

driver’s perspective it ignores the lower portion of  the towers and front faces by 

only illuminating the outside face. 

Figure 7‐15. Lighting Option 3 

Page 84: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 84/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐16  June 2010 

7.4.5  Option 4 The last option investigated was 

various arrangements of  direct 

view sources. In this type of  

option, lower

 wattage

 sources

 using globes or opaque lenses 

are used to “dot” or line the 

structure with points of  light. 

The most commonly used 

application of  this type of  

lighting is the a necklace lighting 

system often used on 

suspension bridges. 

While useful as necklace lighting 

where the

 curving

 arch

 of 

 the

 main cables are highlighted by 

the points of  light, it only 

seemed to detract from the 

strong structural elements that 

make up the St. Croix Bridge 

design. 

7.4.6  Preferred Option As a result of  discussing the 

various options and considering 

the long

 standing

 concerns

 

about environmental impacts, 

spill lighting, conflict with the 

natural beauty of  the river and 

surrounding area, the simple 

and subtle approach seemed to 

be Option 1A. Also from a bridge 

aesthetic standpoint, the 

organic and graceful design of  

the bridge seemed better 

complemented by

 a more

 

natural “moonlit” glow than a 

strong “feature” type of  

lighting system. 

Figure 7‐17. Lighting Option 4b

Figure 7‐16. Lighting Option 4a

Figure 7‐18. Preferred Option—View from 

Sunnyside Marina 

Figure 7‐19. Preferred Option—View from Stillwater 

Page 85: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 85/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐17 

This option using lower pier LED 

floodlights as the only added 

lighting to the roadway and 

pedestrian lighting was generally 

agreed to be the correct 

approach. To

 arrive

 at

 the

 

proper balance of  lighting in this 

situation and environment will 

require a strict criteria and 

explicit specifications in the RFP 

documents to achieve the 

desired results. This can be done 

by using the calculated results of  the current design as the light level criteria for 

various surfaces of  the bridge and specifying fixture output and distribution required 

for installation. 

The lower

 pier

 lighting

 would

 also

 be

 RGB

 color

 change

 lighting

 programmed

 with

 

preset lighting colors which can be activated remotely. 

7.5  Roadway Lighting 

The roadway lighting, as partially 

described in the architectural 

lighting section, is made up of  

median mounted 35’ poles, with 

8’ davit arms, spaced at 160’ 

centers. The pole spacing is 

arranged 

to 

coincide 

with 

the 

80’ tower spacing. The 

luminaires are 292 watt LED 

luminaires. For this initial 

analysis the luminaire used was 

a Beta LED 12 bar unit similar to 

the luminaire currently used on 

the St. Anthony Falls Bridge. It 

should also be noted that the 

lighting calculations were 

performed at the rated output 

and drive

 current

 of 

 the

 

luminaires and is therefore 

higher than required. 

In order to extend the 

maintenance life of  the LED’s a lower drive current will be specified in the 

design/build RFP so that the lighting levels are lowered to the criteria levels and the 

associated wattage will be reduced. 

Figure 7‐20. Preferred Option—View Looking North 

Figure 7‐21. Roadway Lighting 

Page 86: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 86/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐18  June 2010 

7.6  Loop Trail Lighting 

The loop trail lighting consists of  40 watt LED linear luminaires, integrated into the 

bridge railing. The lighting levels with this added lighting meet the requirements of  

the IESNA for both standard and 

enhanced security by providing 5 

lux minimum vertical illuminance. By providing this 

vertical illuminance, facial 

recognition is enhanced. This 

improves the pedestrian’s 

comfort level and sense of  

security while traveling over the 

bridge. It also helps increase 

object contrast in the walkway 

area which will aid cyclists in 

seeing unexpected

 obstacles.

 

7.7  Navigation and Obstruction Lighting 

Even though there is no defined navigable channel by the Coast Guard in the area of  

the proposed bridge, concerns were raised about the visibility of  the bridge piers by 

boaters. The current option includes pier accent lighting but those lights may not be 

in operation during all the hours of  darkness. As a 

result, bridge navigation lights are proposed to be 

placed near the bottom of  each of  the piers, one on 

each side. These lights would utilize LED sources to 

increase 

their 

operating 

life. 

FAA obstruction lights will be required at the top of  

the towers. Two of  these lights would be used on 

each of  the towers. These lights are omni‐direction, 

red obstruction lights and would also use LED 

technology to lengthen their service life. 

7.8  Light  Trespass / Glare / Environmental Impacts 

Because of  the concerns contained in the Visual Quality Manual and from the 

meetings discussing the project, minimizing light trespass, glare, and sky glow were 

key design

 elements.

 The

 use

 of 

 LED

 luminaires

 allows

 for

 precise

 control

 of 

 lighting

 both in the beam size but also by controlling the output of  the LED’s. For this 

concept design the following approaches were used to minimize environmental 

impacts: 

  Lighting was designed to meet the minimum recommended values of  the IESNA. 

  Lighting for the preferred option has limited uplight. The floodlights used at the 

bottom of  the piers are narrow distribution LEDs with most light contained, and 

blocked, by the bridge deck. 

Figure 7‐22. Loop Trail Lighting Using Linear 

Luminaires 

Figure 7‐23. Navigation and 

Obstruction Lights 

Page 87: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 87/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐19 

  The proposed control system for the lighting would leave the roadway lighting 

system on, but turn off  both the architectural lighting and the pedestrian lighting 

at a predetermined time (possibly 12AM). By using the navigation lighting the 

pier lighting is not required throughout the night. For the trail lighting the basic 

horizontal illuminance requirements for the sidewalk can be met with the 

roadway lighting

 system.

 The

 enhanced

 vertical

 illumination

 however

 will

 not

 be

 

met but it is anticipated that pedestrian volumes will be very low and therefore 

unnecessary. 

  Veiling luminance calculations have been performed to make sure the lighting 

system provided limits disability glare to the prescribed limits of  the IES. 

7.9  System Maintenance 

Maintenance was a strong consideration when evaluating proposed lighting systems 

and source types. The use of  LED technology minimizes the relamping requirements. 

Also the use of  reduced current operation extends the life and overall efficiency of  

the LEDs

 considerably.

 For

 the

 systems

 proposed

 we

 anticipate

 a minimum

 of 

 a 10

 year source life. After this time the LEDs and drivers would need to be replaced, with 

the next generation of  LEDs gaining additional life expectancy and efficiency. Some 

key considerations when reviewing the proposed system include: 

  The lower pier floodlights and pier navigation lights will need to be maintained 

from the water level. That would mean the use of  a boat or small barge with 

ladders/scaffolds when the LEDs have reached their end of  life. The control 

system proposed and short “on” duration will likely yield a much longer than 10 

year service cycle but maintenance predictions included in this report have been 

kept conservative. 

  The obstruction lights on the tower would be maintained by access through the 

towers 

  The roadway lighting would be maintained by conventional means, most likely 

requiring a lane closure on both sides of  the roadway 

  The trail pedestrian lighting system would require replacement of  the LED strip 

after the 10+ year expected life. Again the life is a 

very conservative estimate based on the proposed 

control system and hours of  operation. 

7.10  Box Section Inspection Lighting 

The interior of  the box section of  the bridge will be 

accessed for

 periodic

 inspection.

 In

 order

 to

 support

 

these inspections, a lighting and control system, as well 

as maintenance receptacles, is used within the box. For 

this project, it is proposed to use LED utility lights within 

the box, controlled by 3 way switches and timer and/or 

occupancy sensors. The timer/sensors are used for turning the lighting off, if  it has 

inadvertently been left illuminated after an inspection. 

Figure 7‐24. LED Utility 

Light 

Page 88: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 88/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

7‐20  June 2010 

7.11  Signing 

The signing limits for the St 

Croix River Crossing will 

include the entire bridge and 

approximately 100 feet beyond 

the ends of  the bridge. The 

purpose of  the signing is to 

convey the necessary 

information in a 

comprehensible manner 

allowing the driver adequate 

time to initiate any allowable 

action required in a safe 

manner. 

7.11.1 Review of  the Visual 

Quality Manual

 

The location of  signs will be based on current sign placement standards adopted by 

Mn/DOT and WisDOT and where possible, will be placed in the roadside consistent 

with the VQM. Mn/DOT has additionally stated that they did not want any large 

overhead signs mounted in the median of  the bridge. 

Where overhead sign structures are required, they should be a neutral gray in color 

in accordance with the VQM. However, Mn/DOT, in contrast to the VQM, has 

specifically required that all overhead sign structures use the standard truss style 

configuration mounted onto a standard sign post or where possible connected 

directly 

to 

the 

pier 

columns 

in 

an 

unobtrusive 

acceptable 

manner. 

The 

exact 

elevation of  the sign truss shall be consistent with adopted Mn/DOT standards for 

overhead signing and will be a function of  the sign panel sizes being accommodated. 

The truss should also be mounted so as to allow for the possibility of  adding a future 

walkway and sign lighting system. 

Where it is required that signs be mounted on a bridge overpass to serve the 

motorists on the under passing road, the signs should be attached in an unobtrusive 

manner consistent with the VQM. Where possible, that shall mean the top of  the 

sign should not extend above the bridge rail and the bottom of  the sign should not 

extend below the bottom of  the structure. 

The current

 signing

 concept

 only

 depicts

 one

 sign

 to

 be

 mounted

 on

 each

 sign

 truss

 

at each location. As a result there is no contradiction with the VQM requirement 

that all signs on the same structure have the same vertical dimension and are 

mounted at the same elevation. 

7.11.2  Additional Concept  Refinements 

All other signing beyond the limits of  the project or not directly attached to the 

bridge structure itself  shall be provided for by others under a separate contract. 

Figure 7‐25. Typical Inspection Lighting 

Page 89: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 89/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  7‐21 

Additional signing for delineators, markers, speed limits, route confirmation signs, 

and trail signs shall be located as need and defined by the Contractor and approved 

by Mn/DOT. 

As a result of  eliminating the median mounted overhead sign structures, the 

structure for the begin and end  junction signs have not been defined at the time of  

this writing

 as

 to

 if  they

 will

 be

 mounted

 overhead

 or

 mounted

 off 

 to

 the

 side

 of 

 the

 

bridge or ground mounted. Further discussion is needed to finalize this element. 

Page 90: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 90/110

Page 91: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 91/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  8‐1 

8  Visual Quality 

8.1  Introduction 

The visual appearance of  the St. Croix River Crossing and the context of  the bridge 

environs are a critical factor in the design development of  the bridge. As the SFEIS 

was developed

 between

 2004

 and

 2006,

 the

 extradosed

 bridge

 type

 was

 select

 for

 

the main river crossing through an extensive stakeholder process that involved local 

state and federal government agencies, as well as, local and national citizen 

organizations. In parallel with the SFEIS process, a VQM was developed to outline 

the aesthetic values for the project. A VQRC with member participation from all of  

the stakeholder groups was a key part of  the visual quality process. In addition the 

VQM process included a public open house to gather public input for the aesthetic 

development of  the bridge. 

Through the VQM process, a preferred architectural treatment was selected from a 

number of  options. The preferred concept is called “Organic” to compliment the 

natural forms

 of 

 the

 setting.

 The

 VQM

 describes

 the

 Organic

 concept

 as

 

“characterized  by  curved   planes, tapered   forms, smooth surfaces, and  expressed   joints between  parts.”  In the preliminary engineering phase of  the project, the stakeholder involvement has 

been continued with the formation of  a VQAC. The VQAC is made up of  a subset of  

the VQRC member organizations, and includes the following members: 

  City of  Bayport, MN 

  City of  Oak Park Heights, MN 

  City of  Stillwater, MN 

  Town of  St. Joseph, WI 

  Minnesota State Historic Preservation Office 

  National Park Service 

The purpose of  the VQAC is to: 

  Perpetuate the work that has been accomplished through the Environmental 

Process and Visual Quality Process 

  Assist the Project Team through the interpretation of  the Visual Quality Manual 

in areas where the intent is not fully defined. 

  Advise the Project Team regarding refinements to the conceptual design during 

the preliminary engineering phase 

  Assist

 the

 Project

 Team

 in

 evaluating

 how

 newly

 discovered

 aspects

 discovered

 during preliminary engineering relate to the previously developed concept 

design. 

  Attend VQAC Meetings to offer input and comment on visual quality issues 

related to the preliminary engineering. 

  Inform the agencies or organizations that are represented of  information 

presented or discussed with regard to the relationship between the conceptual 

Page 92: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 92/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

8‐2  June 2010 

design documented in the Visual Quality Manual and the preliminary 

engineering design. 

In addition, public involvement was continued through two open houses, where the 

concept refinement was presented for public input and comment. 

8.2  Objectives 

The specific objectives of  the concept refinement through the preliminary 

engineering phase include: 

  Collaborate with the structural discipline to study and execute refinements of  

the concept design using the VQM for guidance. 

  Develop architectural drawings that support proposed structural design concepts 

and compliment the intent described in the VQM including: 

o  2D drawings showing the various concept refinements. 

o  2D lighting drawings showing the river bridge at night, on the river up and 

down stream and on the roadway from the Minnesota and Wisconsin sides. 

o  2D drawings

 to

 describe

 the

 design

 intent

 to

 both

 the

 professional

 and

 the

 

layman. 

o  2D CAD drawings indicating accurate scale and proportion to be used for 

discussion purposes with the Design Team and the VQAC 

o  2D CAD drawings developed for formal presentations to the DOT’s, other 

agencies, and the public at large. 

o  Refinements to the concepts presented in the VQM, such as further design 

refinement of  the two‐column vs. three‐column piers, to be presented to 

obtain concurrence of  the Design Team and input from the VQAC on the 

refinements. 

  Provide

 input

 to

 the

 Mn/DOT

 Visualization

 Unit

 for

 their

 preparation

 of 

 photo

‐realistic renderings of  the bridge in both daytime and nighttime simulations. 

8.3  Refinement  Process 

The VQM presents a concept design and visual, functional, and engineering guidance 

for the further development of  the concept design. The VQM defines the selected 

“Organic” concept as: 

  The parts look as if  they were found in nature, or shaped by natural forces. 

  The vertical pier forms are reed‐like; the girders are rounded and tapered like 

bones or tree branches; and walls, barriers and railings are curved and blended 

into 

the 

larger 

forms. 

  Transitions are gradual and smooth; edges are soft and curved; and colors are 

unified and natural expressions of  their materials. 

In preparation for the concept refinement and as part of  the preliminary 

engineering, the concept design was reviewed and evaluated to more fully 

understand these defining principles of  the concept. The refinement of  the concept 

required close collaboration between the architectural discipline and the structural 

Page 93: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 93/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  8‐3 

discipline, so that the aesthetic values outlined in the VQM are coordinated with the 

structural requirements of  a major river crossing. The outward appearance of  the 

bridge and its relationship to the bluffs, wetlands, and river are of  utmost 

importance, but the structural integrity of  the bridge is the backbone that supports 

that visual experience. The bridge structure must be functional and economical 

while expressing

 the

 intended

 context

 sensitive

 design.

 

With these values in mind, the focus of  the Visual Quality effort was: 

  Pier Concept Refinement: The concept pier is a three‐column pier with two 

exterior columns that extend above the roadway to provide an attachment for 

the stay cables, while the interior column is under the bridge girders along the 

centerline of  bridge. During development of  the VQM, the preference of  the 

VQRC was to have a two‐column pier, but a three‐column pier was included in 

the concept until structural investigation was performed to verify the feasibility 

of  the two‐column pier. The “Organic” concept represents the light and elegant 

character desired of  the river bridge, and the two‐column conveys these 

attributes to

 the

 fullest

 extent.

 

Through technical analysis of  the structure it was possible to confirm that the 

number of  columns can be reduced from three to two. This was achievable without 

changing the size or form of  the column while retaining the preferred shape and 

proportions. While the depth and width of  the cross girder was also retained, it 

became necessary to modify the lower edge of  the cross girder to provide greater 

contact area of  the girder with the tower legs. The original concept of  a curved outer 

edge along the cross girder was also retained though the radius of  the curved edge 

had to be shortened to increase the necessary surface area. This has resulted in a 

slightly different but acceptable visual appearance of  the cross girder. 

Figure 8‐1. Section View Illustrates Curved Outside Edges of  Cross Girder 

  Pier Column Shape Refinement: The pier column shape depicted in the VQM has 

variable dimensions from top to bottom of  column creating a tapered cylindrical 

cross‐section that is slightly canted toward the bridge centerline as the column 

extend upward from the water. The Cost Risk Assessment and Value Engineering 

Page 94: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 94/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

8‐4  June 2010 

(CRAVE) study undertaken in late 2008, recommended that the pier column 

shape be simplified to improve constructability and provide cost savings. 

A number of  refinements were explored but the one chosen retains the visual 

character of  the VQM column while providing a greater level of  constructability. The 

chosen refined design consists of  a uniform sloping and canted exterior on three 

outside column

 faces

 while

 the

 inboard

 face

 is

 vertical

 and

 uniformly

 tapered.

 To

 

achieve this, short tangent segments were introduced into the column section on all 

four sides so that transitional blocking could be more easily introduced into the 

formwork. The interior face of  the twin column sections above the roadway deck 

line where closed with a single tangent. This was in part to enhance constructability 

and to reduce cost. 

Near the base of  the river columns, a sloped concrete fill is proposed. This fill area is 

to be located at the surface water elevation and slope upward closing the hollow 

column form. The purpose for the fill is to prevent unauthorized entry of  small 

vessels or persons. It will also protect the columns from ice intrusion and reduce 

lodging of 

 drift.

 

Figure 8‐2. Tangent Segments Have Been Introduced Along Vertical Faces of  Tower Forms 

for Ease

 of 

 Construction

 

Pedestrian Trail Location: In the VQM concept, the pedestrian trail cantilevers from 

the north edge of  the bridge girder outboard of  the north plane cable stays 

(outboard scenario). This requires the trail to curve outward and around the north 

column at each of  the piers. The CRAVE study recommended that the pedestrian 

trail be relocated onto the bridge girder, placing the trail inboard of  the north cable 

plane. The recommendation is based on improved constructability, improved 

Page 95: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 95/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  8‐5 

operations, maintenance and inspection, and potential cost savings. With the trail 

inboard of  the cables, interference between pedestrian/bicycle travel and the cables 

is eliminated, and pedestrians can be removed from the through traffic of  the trail 

by placing overlooks at the piers. 

Both the outboard and inboard trail locations were evaluated for constructability, 

safety, operations

 and

 maintenance,

 cost

 savings

 and

 visual

 characteristics.

 The

 two

 

scenarios were modeled and compared and contrasted. The analysis concluded that 

the inboard trail concept provides superior safety, operations and maintenance 

characteristics. These include ease of  access for safety, emergency, snow removal 

and maintenance vehicles. Pedestrian movements are linear providing greater user 

safety as the alignment affords trail users a clear sight lines along the entire length 

of  the bridge. Lighting is more easily and efficiently accomplished as roadway 

lighting systems are adequate to provide pedestrian lighting needs for certain use 

conditions and in times of  higher use, it is easily supplemented with low level 

lighting located within the hand rail. The inboard trail separates users from the cable 

systems of 

 the

 bridge

 yet

 still

 provides

 ample

 viewing

 of 

 the

 structure

 and

 its’

 

components as well as views to the river beyond. 

Figure 8‐3. View along pedestrian trail located inside of  tower line 

Page 96: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 96/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

8‐6  June 2010 

Figure 8‐4. Section view of  trail located on north edge along west bound travel lanes 

  Pedestrian Trail Overlook: The VQM concept does not have specific locations 

designated for pedestrians to stop along the bridge and view the river. The 

inboard trail provides the opportunity to use the space adjacent to the north 

column at each pier as an overlook. This will provide space off  of  the through 

trail alignment for pedestrians to enjoy the scenic river valley, while separated 

from bicycle traffic. 

The overlook concept is the result of  moving the trail inboard of  the tower line. The 

overlook concept was developed to take advantage of  the opportunity for non 

motorized bridge users to have an unobstructed view of  the river north of  the 

bridge. The overlooks are cantilevered platforms that extend out over the water 

from the tower locations. The overlooks provide a resting and viewing area which is 

out of  the flow of  non motorized traffic and away from the vehicular roadway and 

provide a commanding view of  the river and bluffs. Because the overlooks are not 

part of  the through trail facility, the option was explored to construct an overlook at 

alternating tower lines. This further refinement of  the overlook concept has resulted 

in the recommendation to include four overlooks on the bridge. They are to occur at 

three locations, pier lines 9, 11, and 13. 

The underside of  the overlook structure was also studied in detail. The design team 

considered the platform underside as an opportunity to provide a dynamic daytime 

element and to use lighting at night to accentuate this feature. 

Page 97: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 97/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  8‐7 

Figure 8‐5. Typical Pedestrian Overlook outside of  tower on north elevation of  bridge 

Figure 8‐6. View of  underside of  Pedestrian overlook surrounding tower 

Page 98: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 98/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

8‐8  June 2010 

  Pedestrian Trail Railing: The VQM concept is a full height metal railing with a 

short concrete curb. The pedestrian rail provides a number of  opportunities for 

input from the VQAC related to curb height and railing details including trail 

lighting fixtures built into the railing. 

The pedestrian railing design was refined to simplify the rail as much as possible 

while still maintaining the principles identified in the VQM. Both a full height rail with short curb and a taller curb with shorter rail were evaluated. The taller rail was 

complicated in design. The rail has to meet safety requirement for containment up 

to a height of  27” with a 4” vertical bar spacing and then 6” minimum vertical bar 

spacing thereafter. Both a 4” spaced rail and a combined 4” and 6” spaced rail were 

modeled and illustrated. These designs resulted in complicated and or visually dense 

appearance. Both of  these designs impeded the view to the river and increased 

construction cost. It was also noted that these full height rail options with small curb 

also would be subjected to greater mechanical damage from snow removal 

operations and other maintenance activities. 

The chosen

 rail

 consists

 of 

 a taller

 concrete

 curb

 upon

 which

 the

 metal

 rail

 is

 

attached. The added curb height of  21‐3/4 inches allows the metal railing to be 

constructed solely with 6‐inch center to center separation which reduces the 

amount of  material, as well as visually “lightens” the railing making it more 

transparent and more easily seen through. The design of  the rail can easily be 

fabricated in modules which will reduce cost, and enhance constructability and 

maintenance operations. 

To increase the levels of  lighting on the trail, the railing posts have been designed in 

paired arrangement which provides a nesting location for the small LED lighting 

fixture. This design provides protection for the lighting while reducing the visual 

prominence of 

 the

 fixtures.

 

Figure 8‐7.

 Higher

 curb

 height

 with

 6”

 vertical

 picket

 spacing

 and

 integral

 LED

 light

 fixtures

 

incorporated into post on pedestrian hand railing. 

Page 99: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 99/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  8‐9 

  Cable Anchorages: The VQM Concept has portrayed individual cable anchor 

“pods” attached to the side of  the box girder. This provides a certain texture to 

the side of  the bridge and exposes the supporting elements as part of  the overall 

visual appearance of  the bridge. Refinement of  the pods was performed to 

confirm the structural dimensions needed to support the bridge and to maintain 

the architectural

 details

 to

 provide

 a coordinated

 and

 smooth

 transition

 of 

 the

 

pod into the girders. 

Two alternative cable connection details were studied. The exposed connection as 

illustrated in the VQM and an alternative called a covered cable concept. The 

structural requirements for the anchorages were determined and can be easily met 

with either style. The motivation to evaluate alternative connection options was 

largely as a result of  visual consistency concerns of  the design team. Both 

alternatives were modeled and illustrated for the VQAC and Mn/DOT. The VQAC 

unanimously chose the covered cable alternative because it supported the linear 

form of  the main bridge elements more effectively than the exposed cable 

connection scenario.

 There

 are

 also

 some

 construction,

 maintenance

 and

 operations

 

benefits to the covered scenario as it easier to build, and provides a greater level of  

protection for the cable terminations on the underside of  the deck without limiting 

inspection access to cable anchorages. 

Figure 8‐8.

 North

 elevation

 view

 of 

 structure

 with

 covered

 cable

 connections

 

Page 100: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 100/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

8‐10  June 2010 

Minnesota approach Structures: 

The VQM design of  the Minnesota 

Approach included a pier design 

composed of  tapered columns in 

pairs. The columns are sloped at 

1:33 and

 the

 pairs

 are

 separated

 by

 

10’. 

Two alternative column forms were 

studied and modeled. This included 

a paired column concept which 

reduced the slope to 1:66 and the 

separation between the pair to 5” 

between columns. The other 

concept was a single stem design 

utilizing the 1:66 taper and reveals along the edges of  the single column form. The 

two alternatives

 were

 modeled

 and

 illustrated

 from

 various

 view

 points

 along

 the

 

Minnesota shore and adjacent river locations. It was determined that the single 

tapered column form performed visually as well if  not better than the pair 

alternative and it was easier to construct. The VQAC and Mn/DOT agreed the single 

column form was acceptable. 

Figure 8‐10. View of  Battered Abutment (Left) and Typical Single Stem Pier (Right) along 

Minnesota Approach 

Figure 8‐9. Enlarged view of  covered cable 

connections 

Page 101: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 101/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  9‐1 

9  Construction 

9.1  Introduction 

This section discusses what are considered to be some of  the more critical 

construction issues for both land based construction and construction of  the river 

spans that

 will

 need

 to

 be

 addressed

 for

 the

 successful

 construction

 of 

 the

 project.

 

In addition, construction of  major bridges requires that constructability be 

investigated and evaluated at every stage of  design development as well as during 

construction as the successful Design‐Build (DB) Contractor plans the construction of  

the work. This constructability analysis is performed to ensure that the completed 

bridge will be fully compliant with the contract requirements and that acceptable 

standards for construction means and methods have been met. 

9.2  Construction Staging  Areas 

Construction staging areas will be required for the river crossing bridge work and for 

the approach

 structures.

 Some

 of 

 these

 will

 fall

 within

 the

 construction

 limits

 while

 

some may be located nearby. There are very limited areas for construction staging 

adjacent to the project area because of  the complexity of  the terrain, the wetlands, 

the river way, and numerous man‐made features. Therefore it may be necessary for 

the DB Contractor to make arrangements for additional staging areas as necessary 

to support his construction needs. The Contract documents should make clear what 

potential staging areas are available to the contractor as well as that he is 

responsible for any additional staging areas that he deems may be required. 

9.3  Casting Yard 

In addition

 to

 construction

 staging

 areas,

 if  the

 DB

 Contractor

 elects

 to

 use

 precast

 construction for the approach spans, the river spans, or both, it will be necessary to 

utilize an existing casting yard facility or to set up a new facility specifically for this 

project. Either way, the casting yard will need to have sufficient area for the precast 

operations, storage of  materials and storage of  an inventory for precast segments. It 

can be expected that for a project of  this size, a parcel of  land that is 20 acres or 

more may be needed for a new casting yard facility. It is not unusual that storage of  

approximately one third of  the total number of  segments may be required though 

this is clearly dependent on the planned and actual schedule for precasting and 

erection. 

9.4  Precast  vs.

 Cast 

-in

-place

 Construction

 

The DB Contractor may elect to utilize either precast or cast‐in‐place construction 

methods or a combination thereof  perhaps differentiating between the approaches 

and the river crossing. Both methods are considered viable options and the selection 

will be made in consideration of  the contractor’s experience and preference, 

availability of  equipment, as well as precast plant considerations including transport, 

schedule and economics. 

Page 102: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 102/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

9‐2  June 2010 

Some of  the pros and cons of  each construction method include the following. 

9.4.1  Precast  Construction 

  With over 5000 linear feet of  bridge deck there is an opportunity for cost 

effective utilization of  precast segmental construction. The river crossing will 

have constant depth segments and the approaches will transition to a shallower 

depth consistent

 with

 the

 shorter

 spans.

 Maintaining

 a constant

 depth

 simplifies

 

and reduces the cost of  precast forms and allows for improved efficiency. 

  If  the schedule allows, precast operations could be set up indoors to allow year 

round production of  segments. 

  One advantage of  precast construction is that precasting can proceed concurrent 

with construction of  substructure elements to further shorten the schedule. 

  Dependent on the location of  the casting facility, transport of  segments to the 

erection site by barge and positioning the segments for lifting could be very 

efficient. The smaller approach segments would more likely be transported by 

truck. 

  Precast segment

 height

 is

 expected

 to

 be

 in

 a range

 from

 10

 feet

 to

 16

 feet,

 

approximately 10 feet long and up to 52 feet wide. 

  Precast segment weights are expected to be in the range of  145 to 160 tons 

which would require use of  special haulers. Haul routes from the proposed 

casting yard to the  jobsite must be checked for any special restrictions or permits 

that may apply. 

  Utilizing precast segments would limit the amount of  concrete to be delivered on 

the river to the piers, towers and some limited cast‐in‐place superstructure 

closure  joints. 

  The repetitious nature of  precasting segments in a “factory” style environment 

tends to

 lead

 to

 a higher

 quality

 of 

 finished

 concrete

 product.

 

  On the downside the precast method requires the use of  either an existing 

precast facility or establishment of  a new facility for the project. 

  Some existing casting yards known to exist within a 100 mile radius of  the 

project site that could be considered include three commercial facilities 

constructing precast bridge beams and pipe products and one contractor owned 

facility previously utilized for precast segments. 

  Even if  the precast method is selected, some cast‐in‐place work would still be 

required on approaches at the transition sections. 

  Erection can be ongoing at multiple locations and can share erection equipment. 

  Erection

 

in 

winter 

months 

can 

proceed 

provided 

heated 

enclosures 

are 

used 

and 

provisions are made for curing of  epoxy  joints and cast‐in‐place  joints. It can be 

expected that there may be times when it is simply too cold to proceed with 

erection even with such measures being taken. 

Page 103: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 103/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  9‐3 

9.4.2  Cast -in- Place Construction 

  Again, the large quantity of  bridge deck construction offers efficiency if  the DB 

Contractor elects to use travelers for cast‐in‐place construction, particularly for 

spans over the water. 

  Cast‐in‐place work on the approaches could, alternatively, be done on falsework 

rather than

 by

 use

 of 

 travelers.

 

  The travelers can be easily shipped to site by barge or truck. 

  Cast‐in‐place deck construction over water would be more likely to be restricted 

during severe low temperatures from mid‐December to mid‐March. 

Both methods require the use of  specialized equipment and previous experience in 

this type of  construction should be mandatory including PT tendon installation and 

tensioning and grouting. It is customary to require at least two previous projects or a 

minimum of  5 years experience. Given the limited construction of  extradosed 

structures in the US, it may not be practical to include a similar requirement for the 

St Croix River Crossing, though, requiring supervisory personnel to have experience 

with the

 construction

 of 

 at

 least

 two

 segmental

 or

 cable

‐stayed

 structures

 in

 the

 last

 

10 years should be considered. 

In order to provide for segment erection to proceed through winter months, special 

attention must be paid to grouting of  tendons. If  allowed by the Specifications, 

tendon grouting may be postponed in the winter months by the use of  a corrosion 

inhibitor until substrate temperatures rise again where freezing of  freshly placed 

grout is no longer a concern. 

9.5  Permitting Requirements 

The Minnesota side of  the river bridge has environmental restrictions with a high 

quality wetland

 in

 the

 area,

 very

 limited

 access,

 and

 other

 bluff 

 impacts.

 The

 

Wisconsin side of  the river has bluff  impacts and mussel beds adjacent to the shore. 

It is essential that the permitting is established based on reasonable assumptions of  

how the bridge construction is to be carried out. Provisions need to be included for 

the delivery and site relocations of  large pieces of  equipment such as cranes, 

travelers, haulers, dirt moving equipment. This will require temporary haul roads 

throughout the project limits extending to the river from TH 36 and STH 35. 

Consideration needs to be given at this stage for permanent access typically in the 

form of  a 12‐ to 15‐foot wide corridor paralleling each structure. 

Access to Pier 14 on the Wisconsin bluff  will be particularly challenging as the grade 

drops approximately

 200

 feet

 from

 STH

 35

 to

 the

 river.

 It

 is

 important

 that

 the

 land

 

acquisition on the Wisconsin side provide for switch backing of  the access road as 

needed. 

It is noted that the concept drawing titled “Wetland Impact Details” includes an 

aerial view of  the Minnesota approach spans area showing temporary and 

permanent access roads as well as areas that are expected to be impacted less than 

and greater than 6 months during construction. It is recommended that the 

Page 104: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 104/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

9‐4  June 2010 

Contractor be given some flexibility to develop his own means and methods that 

could affect those areas perhaps by defining a limiting impact assessment and the 

permitting requirements by the appropriate agencies for any DB Contractor 

proposed deviations from what has been indicated. 

9.6  Erosion Control

 and

 Environmental

 Compliance

 

Given the sensitivity of  the wetland areas and watercourses that the project is to be 

constructed over, it is essential that erosion control measures be employed during 

construction. Erosion control must also be considered during design so that the 

contract documents adequately spell out the minimum requirements and 

restrictions with which the DB Contractor must comply. For the land based 

construction, this will be primarily based on standard best management practices 

(BMP) for erosion and sediment control, establishment of  construction limits, 

signage, spill prevention and control, training of  the workforce in environmental 

awareness and monitoring. 

For work

 over

 water,

 the

 Contractor

 must

 plan

 his

 operations

 and

 control

 the

 work

 

to prevent contamination of  the watercourse particularly during cofferdam 

installation, excavation, trestle construction, barge movements and 

spudding/anchoring, dredging, handling and disposal of  drill shaft spoils, equipment 

fueling and accidental spillage. It is recommended that there be at least one 

individual on the contractor’s staff  whose sole responsibility is environmental 

compliance. Consideration should also be given to creating a line item for 

environmental compliance items so that Mn/DOT and Wis/DOT can control and 

exactly what is required in this area. 

9.7  Foundation Construction Methods 

A cofferdam is anticipated to be constructed at each pier for the construction of  the 

drilled shaft foundation cap since the top of  the structural cap is assumed to be at 

the mudline or approx 20 feet below waterline. The cofferdam could be installed 

before or after installing the steel casings and drilled shafts. If  built prior to the 

drilling of  the shafts, the cofferdam could serve as a template for shaft construction. 

Once the cofferdam frame work and steel sheeting is in place with several bracing 

tiers that act as a drilled shaft liner template, the drilled shaft operation can begin. 

Each drilled shaft casing will be placed by a large crane on a barge and driven by a 

vibratory hammer to  just above the top of  rock. All of  the casings for each pier will 

be placed

 prior

 to

 any

 drilling

 of 

 the

 shafts.

 Subsequent

 to

 placing

 the

 pier

 casings,

 a drill rig and the appropriate support equipment such as a mud plant, drilling tools 

and a scow will be mobilized to begin drilling the shafts and rock sockets. 

Once the rock socket is complete, an airlift can be used for cleaning the shaft by 

recycling the drilling fluid though the mud plant which separates the fluid from the 

suspended solids and allows the clean fluid to pass back to the drilled shaft. The 

placement of  the reinforcing cage will follow the cleaning process and will require a 

Page 105: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 105/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  9‐5 

large crane due to the weight of  the reinforcing which will likely be spliced in several 

sections. 

Tremies and CSL tubes will be placed prior to the concrete placement in each drilled 

shaft. Due to the large quantity of  concrete needed for each drilled shaft, a barge 

mounted concrete batch plant may prove economically feasible. 

Upon completion of  the drilled shafts within the pier cofferdam, excavation for the 

tremie seal can take place by using a water  jet and an airlift coupled with a mud 

plant and scow. Once excavated, concrete for the tremie seal will be placed up to an 

elevation  just short of  the bottom of  the foundation cap. It will be necessary to trim 

the seal to remove laitance and humps from the tremie locations from protruding 

into the foundation cap. When the trimming of  the seal is complete, forming and 

placement of  the foundation cap and the bridge columns can then be constructed in 

the dry. 

9.8  Substructure Pier and Tower Construction 

Access to the pier locations could be by barge as described above for drilled shaft 

operations, by a series of  floating pontoons/car barges or by trestle. Floating 

pontoons would be quick to install and could be more easily reconfigured as work 

progresses. Trestle construction would have the advantage of  being off  the water 

and would not have to consider access and movements during winter months when 

the river will be frozen. Either of  these methods might be considered for perhaps 

 just one or two piers from either shore which would still leave the center spans open 

for navigation. Whichever option is selected, it will be subject to USCG approval and 

permitting. 

The pier and tower construction will require delivery of  rebar and concrete and will 

require crane support. With the height of  the towers exceeding 200 feet above the 

water level, it may be efficient to utilize tower cranes supported on the permanent 

pile caps. The tower cranes would also be able to service the towerhead assemblies, 

stay anchor boxes, cable installation and tensioning. 

The unique pier and tower cross section will pose some challenges in forming and 

may limit the amount of  reuse that each form can fulfill on a single column but 

should permit reuse on other piers and towers. 

It can be expected that the pier/tower construction will be made in approximately 

ten lifts including three or four lifts for the towerhead incorporating the stay anchor 

assemblies. 

9.9  Reinforcing steel arrangements congestion and detailing 

Since this is a Design‐Build project, it is to be expected that the DB Engineer of  

Record’s (EoR) design drawings will be detailed such that rebar shop drawings are 

not necessary. This would require that the detailer provide complete details and bar 

bending diagrams for construction and to verify and resolve conflicts with stay 

Page 106: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 106/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

9‐6  June 2010 

hardware, PT hardware and any other embeds required, such as ladders and 

platforms or mechanical and electrical installations in the towers. The DB EoR should 

also be responsible for identifying possible conflicts and for their resolution in the 

development of  the design drawings. 

The design drawings should also identify any elements that are fracture critical such 

as components

 of 

 the

 stay

 anchor

 assemblies

 in

 the

 tower

 heads

 and

 should

 provide

 

clear requirements for all welds sizes, weld classification and NDE requirements. 

9.10  Post -tensioning tendons and grouting 

Complete details of  the post‐tensioning system must be provided by the post‐

tensioning supplier. This should include records of  all testing and material test 

certificates that indicate compliance with the contract requirements. As stated in 

the previous section, it is the responsibility of  the EoR to ensure reinforcement 

detailing is compatible with the post‐tensioning system and cable stay hardware and 

that dimensional conflicts are resolved on the design drawings, not in the field. 

Tensioning and grouting of  the system should be performed by trained and 

experienced personnel. American Segmental Bridge Institute certification for the 

tensioning and grouting personnel is recommended. These operations also warrant 

close inspection by QC personnel to ensure that the work is performed in 

compliance with contract requirements to ensure that the life of  the structure is not 

compromised by lack of  attention to detail. Consideration should be given to 

inclusion of  mock up tendon grouting to demonstrate adequacy of  grouting 

equipment and methods and for training of  grouting crews. 

9.11  Stay Installation 

For an

 extradosed

 structure,

 cable

 tensioning

 more

 closely

 resembles

 post

tensioning tendon stressing than the operations that are unique to cable stayed 

bridge construction. The means and methods for the installation of  the stay pipes 

and for installation of  the tendons do however need to be carefully planned and 

carried out such that these critical elements are not damaged during construction. 

9.12  Special architectural forming and finishing 

It is noted that special architectural forming and finishing has been identified for this 

structure. This relates to the form and shape of  the piers, towers and the 

superstructure. These are the result of  the findings and recommendations contained 

in the

 Visual

 Quality

 Manual

 (January

 2007)

 as

 well

 as

 the

 ongoing

 concept

 refinement process It should be recognized that there will be a premium cost 

associated with the special architectural forming and finishing and the Contract 

documents must be clear on what opportunity the DB Contractor may have to 

propose alternate forms for any of  these elements and the process for approval of  

any such deviations. 

Page 107: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 107/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  9‐7 

9.13  Industry forum 

An industry forum was held during the ASBI annual convention on Oct 25, 2009. At 

the forum contractors were briefed on the conceptual details for the St Croix River 

Crossing project and the schedule for procurement and for construction. This served 

as a briefing to allow attending contractors to learn something about the Project. It 

is recommended that a more formal forum be held prior to issuing the RFP to gather additional contractor input. 

Page 108: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 108/110

Page 109: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 109/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  

June 2010  10‐1 

10  Maintenance and Inspection 

10.1  Introduction 

Maintenance and Inspection are very critical considerations for any bridge project 

particularly so when the bridge may be outside of  the typical bridge construction 

practice as

 is

 the

 case

 for

 the

 St

 Croix

 River

 Crossing

 utilizing

 extradosed

 spans

 that

 

are relatively uncommon in the US. 

The extradosed river spans for the St. Croix River Crossing will require a specific 

maintenance and inspection strategy. Access to critical components of  the structure 

for maintenance and inspection must be incorporated into the design development, 

and specific maintenance and inspection procedures must be developed for the 

long‐life expected for the structure. 

10.2  Critical Elements 

Operation, inspection, maintenance and access requirements for each of  the 

following items listed below must be addressed in the RFP documents. The 

Contractor will be required to address each of  those requirements during the final 

design. Deliverables from the successful DB Contractor should also include an 

Operation, Inspection and Maintenance Manual prepared specifically for the St Croix 

River Crossing. The manual must include comprehensive details for each component 

of  the bridge including a list of  components likely to require replacement within the 

expected life of  the structure. 

Items that will require ongoing operation and maintenance include: 

  Anti‐icing system 

  Bridge Lighting 

  Navigation Lighting 

  Aviation Lighting 

  Lighting inside the bridge 

  Lighting inside the towers 

  Drainage 

  Signage 

It is anticipated that these elements will be inspected at least once per year but may 

require immediate attention should something cease to function at any time. 

Life expectancy of  these items is less than the structure life expectancy and will 

likely require

 full

 replacement

 a number

 of 

 times

 over

 the

 life

 of 

 the

 structure.

 

Items that will require inspection and periodic maintenance include: 

  Bearings 

  Expansion  joints 

  Overlay 

  Painted surfaces 

Page 110: Concept Refinement Report

8/12/2019 Concept Refinement Report

http://slidepdf.com/reader/full/concept-refinement-report 110/110

St. Croix River Crossing Preliminary Engineering 

Concept  Refinement  Report  It is recommended that these items be inspected every two years and in the event 

that any unusual structure behavior or event has occurred. 

It can be expected that these elements or components of  them such as bearing 

pads, will also have to be replaced a number of  times over the expected life of  the 

structure. 

Items that will require inspection and may require periodic maintenance include: 

  Cables and Protection Systems 

  Anchorage systems 

  Post‐tensioning systems 

  Concrete substructure elements 

  Concrete superstructure elements 

  Foundations including river piers below water 

These are critical support elements of  the structure and if  constructed with care and 

attention to detail should provide service for the life of  the structure with little 

maintenance. They

 should

 however

 all

 be

 inspected

 bi

‐annually

 to

 observe

 any

 

changes in service and any indications of  distress must be investigated and 

addressed. 

Access is a key aspect of  any inspection program and it will be necessary to make 

sure that equipment is available for regular inspection as indicated above. This will 

be particularly the case for inspection of  the exterior surfaces of  the superstructure 

elements of  the river spans and the towers above deck. It will be important that 

underbridge snoopers or manlifts that are currently in service will be able to reach 

to those areas. 

Substructure piers will require inspection from a manlift mounted on a barge. 

For the Approach structures it will be important that permanent access be 

constructed and maintained for future maintenance and inspection. This is 

particularly important where there are wetlands adjacent to the bridge.