崇山峻嶺架坦途——鐵路大跨度拱橋建築技術
成貴鐵路西溪河特大橋
拱橋是一種非常普遍的橋型，它的適用性非常強，在橋樑史上發揮着重要作用。拱橋與山區V形峽谷地形契合度高，跨越能力大，整體剛度大，使得大跨度拱橋成爲艱險山區鐵路跨越峽谷地形首選的橋型結構。對於活載比重較大、動力問題較爲突出的鐵路橋，當需要較大跨度時, 由於斜拉橋、懸索橋等索結構剛度較柔, 拱橋是一種具有較大優勢的結構。基於拱橋的優良性能，有着廣闊的發展前景。
早期的拱橋大都是石拱橋，爲了提高跨越能力，突破石材的限制，鑄鐵、鍛鐵、混凝土、鋼材等新材料一出現，就很快被用於拱橋建造。19世紀20年代鐵路出現後，鐵路的不斷修建，促進了橋樑技術的快速進步。
目前，世界上已建成的鐵路大跨度拱橋幾乎全在中國。最大跨度的石拱橋是成昆鐵路一線天橋，主跨54m。最大跨度鋼拱橋大瑞鐵路怒江特大橋，主跨490m。鋼管混凝土拱橋是川藏鐵路藏木特大橋，主跨430m。鋼筋混凝土拱橋是滬昆高鐵北盤江特大橋，主跨445m。這些拱橋的建成，使我國邁入了大跨度鐵路拱橋建設的世界先進行列。
歷經百年風雲
1825年英國製造的世界第一條鐵路：斯托克頓——達林頓鐵路。有了鐵路以後，木橋、石橋、鐵橋和原來的橋樑基礎施工技術就難於適應需要。19世紀末葉，由於結構力學基本知識的傳播、鋼材的大量供應，使鐵路橋樑工程獲得迅速發展。20世紀初，北美洲曾在鐵路鋼橋跨度方面連創世界紀錄。到第二次世界大戰前，公路鋼橋和鋼筋混凝土橋的跨度紀錄又都超過了鐵路橋。
1867～1874年，美國建成了聖路易斯鋼拱橋-伊茲橋(Eads Bridge)，主跨158m，兩邊跨各153m，爲當時世界最大跨度的拱橋，該橋的建成開啓了大跨徑鋼拱橋的新時代。該橋多項技術世界上第一次採用：鋼材拱肋、斜拉懸臂法施工、花籃螺栓合龍、大規模氣壓沉箱基礎。受伊茲橋成功的鼓舞，許多精美的鋼拱相繼建成。
圖1 伊茲橋
20世紀初至中葉結構力學的彈性內力分析方法普遍用於超靜定承重結構的橋樑設計，爲創造大跨紀錄的工作取得有力的科學依據。1916年建成的美國紐約鬼門(Hell Gate)，主跨298m，4線重載鐵路，道砟橋面。澳大利亞悉尼港橋，1932年建成，跨度503米鋼桁拱，有8個車道，2條鐵軌，1條自行車道及1條人行道。
世界上第一座鋼管混凝土拱橋位於現俄羅斯烏拉爾卡緬斯克（Kamensk）的一條單線鐵路線上，跨越伊賽特河。該橋主跨採用月牙形桁式兩鉸拱，跨度135m，矢高21.91m；支架法施工，1939年建成。此橋之後，鮮有對鋼管混凝土拱橋作進一步研究和應用，半個世紀內，世界上沒再建造鋼管混凝土拱橋。
圖2 俄羅斯卡緬斯克伊賽特河橋
鐵路拱橋在中國的探索
中國鐵路的歷史出現在1865。英國人在北京宣武門鋪設一條500m的供人欣賞的鐵路模型。1876英國怡和洋行修建的吳淞鐵路（吳淞-上海）真正算是中國的第一條鐵路。第一座鐵路拱橋建於1881年修建的唐胥鐵路（唐山-胥各莊），該橋原是一座鐵路石拱橋，橋孔形狀如虹似月，橋頂刻有“1881”字樣，歷史上曾叫做“一八八一橋”。《唐山城市建設志》記載∶“此橋建於光緒七年（1881年）……爲單孔石拱橋，長14.8米，寬10.25米，高3.3米。”1976年大地震中，小橋安然無恙。只是到了1978年，由於橋下的交通擁擠，在該橋南側5m處，另建起一座鋼筋混凝土雙孔廂式橋。從此，原石拱橋被掩埋在鐵道路基之內，成爲一座“地下文物”。
現存最早的鐵路拱橋是中東鐵路穆棱河大橋，建於1898年。大橋全長174.03m，共10孔石拱，每孔淨跨12.8m。位於黑龍江省穆棱縣穆棱鎮。石拱橋由俄羅斯工程師設計和主持施工。1945年8月9日，蘇聯紅軍解放了穆棱。日軍在撤退時，爲阻滯蘇軍進攻，炸燬大橋的第2、3石拱，1965年，穆棱河發生大洪水，第6、7、8、9石拱外層損毀。1989年，大橋被鐵路棄用，現改爲公路橋使用。
成渝鐵路是新中國自行設計施工的第一條鐵路，廣大軍民在國家財政極爲困難的情況下，就地取材，僅用兩年時間就全線貫通，該線的王二溪橋是22連拱橋。
圖3 成渝鐵路王二溪橋
五六十年代，隨着鐵路的大規模修建，相繼建成了一批代表性鐵路拱橋。1956年建成的寶成鐵路松樹坡橋全長121.4m，2-38米實腹石拱橋，位於陝西省寶雞市境內，五十年代全路跨度最大、最高的石拱橋。同年竣工的包蘭線東崗鎮黃河橋位於甘肅省蘭州市市郊，爲3孔53m上承式鋼筋混凝土肋拱橋，全長221.9m。拱肋採用鋼拱架灌注混凝土，第1、2孔採用分段法灌注，第3孔採用加載法灌注，全橋鋼筋混凝土用量1780m3，混凝土3834m3，片石圬工2180m3。
1959年建成通車的太焦線丹河鐵路大橋，全橋長144.8m，主孔跨度88m、上承式鋼筋混凝土空腹無鉸拱橋。當年爲“亞洲第一獨拱鐵路橋”。該橋在結構上有一特點，就是在設計上加強了拱肋與橫撐、橋面板的連接，增強了拱肋橫向強度與穩定，不取拱肋中至中等於跨度的1/20，而取拱肋邊至邊爲跨度的1/20。
1961年建成的蘭新線昌吉河橋位於烏魯木齊至國境段的昌吉河上。是中國第一座預應力混凝土剛性樑柔性拱橋。主跨56m，橋全長155m。該橋爲拼裝式結構，最大構件重218kN，在腳手鋼樑上就地拼裝。
1966年建成的豐沙線永定河7號大橋，位於北京市門頭溝區珍珠湖風景區。全長218m，以150米的跨度橫跨永定河.80年代屬於亞洲最大的拱形大橋。同年建成的成昆鐵路迎水河橋，是我國第一座採用栓焊技術的鋼橋，112m剛性樑柔性拱橋，鋼樑安裝採用臨時支墩半懸臂拼裝法，先拼邊孔40m上承鋼桁樑，並以它作爲中孔剛性樑拼裝的平衡重。中孔以半懸臂法拼裝，中孔跨間設兩座塔架作爲臨時中墩，其2#塔高52m。拼裝第3孔邊孔24m鋼樑時用中孔的剛性樑作爲它的平衡樑進行懸臂拼裝。全橋剛性拼裝完畢後，將各孔的臨時連接杆件拆除，調整塔架上的臨時支點，至112m剛性樑處於沒有恆載作用時的設計拱度標高，然後拼裝112m樑的拱肋與吊杆等。在安裝過程中，先調整內力，使拱肋推力達到設計值，然後封拱正式連接。同期建設的拉舊大橋、銅模甸二號橋和安寧河橋，均達到了當時國際先進水平。
圖4 成昆鐵路迎水河特大橋
鐵路拱橋迎來百花齊放
中國鐵路拱橋也是在進入21世紀後，隨着中國經濟快速發展和鐵路建設的不斷推進，取得了長足的進步。
2001年建成的水柏鐵路北盤江大橋，是我國鐵路第一座大型鋼管混凝土拱橋。該橋爲跨度236m的單線鐵路上承式提籃拱橋，採用單鉸平轉法施工，轉體施工重量10400t，首創了貼附聚四氟乙烯滑片的鋼球面轉鉸。2004年建成的贛龍鐵路吊鐘巖特大橋，全長510.63米，主跨140m，爲我國首座鐵路大跨度勁性骨架轉體。2005年建成的宜萬鐵路萬州長江大橋，爲主跨360m帶伸出跨的中承式鋼桁拱。2006年竣工的青藏鐵路拉薩河大橋，主橋爲(36+72+108+72+36)m鋼管混凝土拱連續樑結構形式，首次採用五跨三拱連續樑系杆拱組合體系和雙層疊拱結構主跨。其中主跨採用雙層彎拱結構。主橋樑拱施工採用先樑後拱施工法, 鋼管拱採用樑面上搭設支架拼裝架設。2009年建成的京滬高鐵大勝關長江大橋，是一座雙聯拱帶伸出跨的鋼桁拱，兩個主跨均爲336m，該橋爲4線鐵路+2線輕軌橋樑，京滬高鐵運行其中，最高行車速度300km/h。
2014年建成的南廣鐵路西江特大橋，橋全長618.3m，主橋跨徑450m，我國首座中承式鐵路鋼箱提籃拱橋，鋼箱拱肋截面尺寸爲15×5m，截面高度爲世界第一。
2015年建成林織鐵路納界河大橋，主跨352m，是國內首座上承式鐵路鋼桁拱橋，爲單線鐵路，提籃拱橋。
2019年完成主體結構大瑞鐵路怒江特大橋，主跨490m的上承式鋼桁拱，是目前最大跨度鐵路拱橋。橋上爲四線鐵路，兩側還各設一座3m寬站臺，主拱是由四片桁分成兩組構成的提籃拱,大橋首創了大跨度鋼桁拱橋的拱圈四片桁、橫向分離式整體節點、拱柱連接段分叉式構造等結構形式，形成了艱險山區大跨度鋼桁拱橋鋼構件輕量化設計成套技術。
圖5 大瑞鐵路怒江特大橋
2016年雲桂鐵路南盤江特大橋，主橋爲416m上承式鋼筋混凝土拱橋。主橋445 m，滬昆鐵路北盤江特大橋鋼筋混凝土拱橋最大跨徑。大橋創新採用斜拉扣索調載和分環多工作面澆築外包混凝土工法，使得勁性骨架法施工鋼筋混凝土拱橋向更大跨度調整做出了巨大貢獻。
圖6 雲桂鐵路南盤江特大橋
2017年成貴鐵路西溪河特大橋240m是我國高鐵首座鋼管混凝土轉體拱橋。主橋爲240m的上承式鋼管混凝土拱橋新結構，屬我國高鐵轉體橋樑的最大跨度。
2018年成貴鐵路鴨池河特大橋首座鋼-混組合拱橋，橋面以上拱肋腹杆採用鋼結構，橋面以下爲鋼筋混凝土結構。是世界上跨徑最大的中承式空腹鋼混結合提籃式拱橋。鴨池河特大橋在橋跨和結構上均有多項創新，對世界同類橋樑的設計施工具有指導性意義。
2018年建成主跨370m的渝黔高鐵夜郎河特大橋是“提籃式”鋼管混凝土拱橋。不同於常規提籃拱橋，該橋主橋創新採用X形“提籃式”拱橋設計，使得箱形拱肋腹板均爲豎向結構。
2020年建成鄭萬鐵路梅溪河大橋，全長687.8m，主跨達到340m，是目前國內首座跨度最大的高鐵無砟軌道拱橋，也是整個西南山區第一條時速達到350km的高速鐵路。
2020年建成川藏鐵路藏木雅魯藏布江特大橋，主跨430m中承式拱橋，爲避免高原強紫外線對鋼材塗裝的損傷，減小養護、維修工作量，主拱鋼材採用高性能免塗裝耐候鋼。
目前，在建的川藏鐵路拱橋有主跨400m的鋼桁拱橋-東久曲特大橋，主跨500m的鋼管混凝土拱橋-金沙江特大橋，主跨310m的中承式鋼桁拱橋-藏布大橋，主跨230m的鋼筋混凝土拱列衣大橋，都充分地體現了拱橋在山地鐵路橋樑的優勢，也代表了鐵路山地拱橋的發展方向。
21世紀的20多年來，這些拱橋的建成，使我國邁入了大跨度鐵路拱橋建設的世界先進行列。中國鐵路建造技術取得了舉世矚目的成就，展望未來，隨着中國經濟的發展，鐵路拱橋將取得更大的發展。
本文刊載 / 《橋樑》雜誌
2022年 第3期 總第107期
作者 / 田波
作者單位 / 中鐵十八局集團橋樑工程技術研究院
編輯 / 陳晨
美編 / 趙雯
責編 / 周洋
審校 / 李天穎 裴小吟 廖玲
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