中國拱橋 世界跨度（科技名家筆談）

本文轉自：人民日報海外版

鄭皆連

天峨龍灘特大橋雄姿。　　廣西路橋工程有限公司供圖

作者鄭皆連肖像畫。　　張武昌繪

2月15日，天峨縣發生4.4級地震，處於震中的天峨龍灘特大橋安然無恙。　　廣西交科集團有限公司供圖

近日，位於廣西壯族自治區天峨縣境內的天峨龍灘特大橋建成並通車，該橋主孔跨徑600米，比國外最大混凝土拱橋跨徑超出210米，比2016年建成滬昆高鐵北盤江橋創造的混凝土拱橋跨徑一次性提高了155米，創造了新的世界紀錄。不僅如此，與同橋位斜拉橋方案相比，天峨龍灘特大橋剛度更大、耐久性更好且造價更低。

本報邀請天峨龍灘特大橋總設計師、中國工程院院士鄭皆連對該橋設計、建造等情況，特別是創新亮點，進行權威解讀。

——編 者

天峨龍灘特大橋位於廣西天峨縣境內，是南丹至下老高速公路跨越紅水河的一座大橋。該大橋所在河段兩岸山嶺高聳峻峭，水面寬度約600米，水深160米，年最大水位落差可達45米。

天峨龍灘特大橋全長約2500米，全寬24.5米，雙向四車道。其中，主橋爲上承式勁性骨架混凝土雙肋無鉸拱橋，計算跨徑600米。拱肋採用等寬變高的混凝土箱型截面，拱腳、拱頂箱高分別爲12米、8米，寬度均爲6.5米；拱肋橫向平行設置兩片，中心間距16.5米，在對應每處拱上立柱位置（40米間隔）的上、下游拱肋間設置一道混凝土箱形橫聯，全橋共13道，橫聯頂、底面張拉預應力以提高拱肋的橫向穩定性，主拱肋及橫聯均採用高性能混凝土。主拱肋採用勁性骨架法施工。

每片拱肋的勁性骨架均爲四管式鋼管混凝土桁架，桁架上、下弦管均爲高強度、韌性和耐腐蝕性的鋼管。弦管間的腹杆和平聯杆均採用角鋼焊接組合杆，以節點板的形式與弦管連接。拱桁弦管空中接頭採用先外法蘭接頭栓接固定、再管外焊接的形式連接。管內灌注一種自密實微膨脹混凝土。

勁性骨架的鋼結構由兩列鋼管拱桁組成，共重8150噸，在橋位下游6千米的龍灘電站閒置土地建廠製造，形成48個安裝單元，採用桅杆吊機吊上船，運至橋位，再採用纜索吊運斜拉扣掛工藝安裝，安裝單元最大吊重約170噸，並帶上了澆注外包混凝土的底模板；拱肋外包混凝土採用分環分段方式澆注，每次由8臺壓力泵執行混凝土輸送，同步澆注4個工作面，36次完成拱桁外包混凝土澆注；橋道樑由預應力混凝土連續剛構及預應力混凝土連續T樑組成。

2023年3月，以施工中的天峨龍灘特大橋爲背景，由中國工程院和世界橋樑與結構工程協會聯合召開世界大跨徑拱橋建造大會，筆者作爲會議主席作主旨報告，介紹了天峨龍灘特大橋的設計施工創新，獲得國內外專家的高度評價。天峨龍灘特大橋主孔跨徑600米，比國外最大混凝土拱橋跨徑超出210米，比2016年建成滬昆高鐵北盤江橋創造的混凝土拱橋跨徑世界紀錄一次性提高155米，相當於世界混凝土拱橋跨徑100年增長量，與同橋位斜拉橋方案比，剛度大、耐久性更好、幾乎零維護，造價還少1.25億。

2020年，項目業主指定筆者主持大橋設計施工技術工作。雖然筆者曾主持或指導建造了跨徑300米級、400米級的勁性骨架混凝土拱橋，但在全世界此前都沒有500米級混凝土拱橋建造經驗的前提下，建造跨徑600米混凝土拱橋存在着巨大風險。天峨龍灘特大橋2020年6月開工，2024年2月建成通車，近4年來，在參建各方共同努力下，實現了零安全事故、質量全優、造價和工期不超的目標。

恰當選擇鋼管混凝土

勁性拱骨架強勁度

混凝土拱橋拱圈，是在鋼管混凝土勁性拱骨架上掛模板澆注混凝土形成的，鋼管混凝土勁性拱骨架在拱圈施工過程中起拱架作用，因此強骨架是降低拱圈施工風險的首選。但強骨架必然增加拱骨架的施工難度，降低拱橋的經濟性，因此選擇恰當強勁度的勁性拱骨架至關重要。筆者提出，以骨架鋼桁質量與外包混凝土質量之比來表徵骨架強弱。8座已建成的勁性骨架混凝土拱橋的該比值均在合理區間。

天峨龍灘特大橋拱肋勁性拱骨架鋼材重8150噸，外包混凝土2.81萬立方米，二者質量之比爲1/8.6，其比值較已成勁性骨架混凝土拱橋均大，骨架鋼料多用3000噸。即使這樣，在灌注管內混凝土及澆注底板混凝土階段主拱跨中撓度增長值，佔外包混凝土澆注完成後總撓度值的60%，在外包混凝土包裹上弦鋼管時，相關指標接近容許值。由此可知，鋼骨架強勁度的選擇是恰當的。

克服澆注外包混凝土過程中

產生過大的時程應力

勁性骨架混凝土拱橋拱圈的形成是一個自架設過程。首先，架設鋼管混凝土勁性拱骨架；然後，分環澆注外包混凝土，一環混凝土澆注完成獲得強度後，與鋼管混凝土勁性拱骨架拱桁形成鋼-混組合結構，承載能力和剛度得到提高，逐次完成各環混凝土澆注，逐次提高承載能力和剛度，直至完成混凝土拱圈。但值得注意的是，外包混凝土質量達勁性骨架鋼管拱桁質量的9—15倍，因此澆注外包混凝土是勁性骨架混凝土拱橋施工最危險的階段，不但加載重量大，而且加載時間長、加載次數多，每次混凝土澆注一旦失敗，就難於補救。採用分環、多工作面、多次澆注，勁性骨架及已獲得強度的外包混凝土會產生隨時間而變的時程應力，該力有時會超過材料強度，所以要靠合理分環、多工作面同時澆注來對其進行控制。外包混凝土澆注完成獲得強度後成爲受力主體，鋼管混凝土勁性拱骨架拱桁埋在混凝土內，增加混凝土拱圈的承載能力和韌性。

天峨龍灘特大橋拱肋外包混凝土2.81萬立方米，分3環8個工作面，每次4個工作面同時澆注，共36次完成拱桁外包混凝土澆注。每次澆注外包混凝土800立方米左右，需要7-10個小時，由8臺泵同時向4個工作面輸送混凝土，在此過程中，使時程壓應力始終處於較低水平。這種控制澆注外包混凝土的時程應力方法由中國工程師發明，並在實踐中不斷完善、發展。

優化外包混凝土

配合比和施工工藝

勁性骨架混凝土拱橋拱圈外包混凝土從澆注到硬化過程中受到勁性骨架的多方向強約束，易產生收縮裂縫。解決強約束產生收縮裂縫問題最好的途徑是摻入膨脹材料以抵消收縮，但應考慮膠凝材料的水化進程，採用適用於外包混凝土的膨脹劑，實現前期補償收縮，後期不發生體積變形。此外，在工作性能控制層面，應進行原材料均化，儘可能避免原材料差異導致的混凝土工作性能不穩定的問題；在泵送現場，實時調控混凝土工作性能，保障入模混凝土的穩定性、均勻性。

在施工過程中，應對混凝土內外溫溼度進行控制，以減小溫差應力、幹縮應力，嚴格控制混凝土製備、運輸、泵送、入模溫度。在養護階段採取外界覆膜保溫措施，同步降低內外溫差。此外，對外包混凝土表面進行持續性噴水、噴霧保溼養護，以減少混凝土表面的幹縮。通過以上措施，實現了天峨龍灘特大橋所有外包混凝土的良好澆注質量及抗裂效果，表面光滑密實無裂縫。另外，對澆注外包混凝土的模板進行了精細化設計、工廠化加工，半機械化安裝，實現了國內外包混凝土澆注最短週期記錄，最大限度減少澆注混凝土塊間齡期差。由此可見，天峨龍灘特大橋拱肋外包混凝土外摻劑選取及澆注經驗有普遍借鑑意義。

根據相關研究和實踐

大幅度減少拱肋縱向配筋

現階段，勁性骨架混凝土拱橋無設計施工行業規範、國家標準，拱圈縱向配筋參照相近規範。天峨龍灘特大橋拱肋外包混凝土強度等級爲C60的高性能混凝土，國內外相近規範規定的全截面縱向最小配筋率爲0.6-1%，但未明確配筋率計算是否計入勁性骨架的縱向弦管。中國學者堯國皇等人研究表明：縱向鋼筋對勁性骨架混凝土拱圈截面承載能力及韌性的貢獻遠小於弦管，因此計算全截面縱向最小配筋率時，應考慮勁性骨架的縱向弦管；並且，只要考慮勁性骨架的縱向弦管，絕大多數勁性骨架混凝土拱橋能滿足全截面縱向最小配筋率要求，縱向鋼筋按構造需要配置即可。

鑑於現有相關理論不完善，天峨龍灘特大橋最終採用李國豪教授《橋樑結構穩定與振動》一書推薦的公式，計算力矩增大系數並按此力矩增大系數計算截面承載能力，得出結論：縱向只需配構造鋼筋即可。我們通過進一步分析認識到，混凝土拱肋截面小偏心受壓，其截面力學行爲與預應力混凝土樑無異，而預應力混凝土樑縱向只配構造筋已成共識。

此外，已通車26年的勁性骨架混凝土拱橋萬縣長江大橋、邕寧邕江大橋的縱向配筋水平與天峨龍灘特大橋相當，至今拱圈混凝土無橫向裂縫。因此，筆者認爲勁性骨架混凝土拱橋拱圈如處於小偏心受壓，勁性骨架弦管能滿足規範最小含鋼率要求，縱向按構造配筋即可。同時，橫向宜加強普通鋼筋，必要時張拉橫向預應力防止混凝土縱向有害裂縫發生。

中國拱橋技術和經驗

將造福世界

混凝土拱橋拱圈受力極爲合理，耐久性好，但是重量大，每米拱圈質量是同跨徑斜拉橋、懸索橋加勁樑的5-10倍，且呈曲線形，架設困難，費用高。1898年，奧地利工程師約瑟夫·米蘭提出了勁性骨架法，先架設僅爲外包混凝土重量1/10甚至更輕的鋼拱骨架，然後在其上掛模板，澆注外包混凝土，形成拱圈，國外使用此技術建設的混凝土拱橋最大跨徑260米。中國工程師用鋼管混凝土拱桁代替鋼拱骨架，節省骨架一半用鋼量，發明了分環、多工作面、多段澆注混凝土，降低施工中產生的時程應力，降低了建造風險和費用，建造了11座跨徑大於300米的勁性骨架混凝土拱橋，包括跨徑600米的天峨龍灘特大橋，遠遠走在世界前列。天峨龍灘特大橋建成後，經過荷載試驗靜力、動力性能良好，順利通過交工驗收，2月1日正式通車運營。2月15日，天峨縣發生4.4級地震，處於震中的天峨龍灘特大橋安然無恙。

最近30年，特別是進入新時代以來，中國橋樑建設取得突飛猛進的發展，建成許多超大跨徑世界名橋，得益於中國高速鐵路、高速公路大規模建設產生的需求，天峨龍灘特大橋也不例外。天峨龍灘特大橋建成通車，使混凝土拱橋跨徑上了一個大臺階，是世界拱橋發展史上的一座里程碑，其技術創新和建造經驗將造福世界。

（作者爲中國工程院院士、廣西大學教授，長期從事拱橋科研和工程技術創新工作，曾獲3項國家科技進步獎和茅以升科學技術獎——橋樑大獎、李國豪原創橋樑技術獎等；所主持的大橋項目榮獲國際橋樑大會最高獎喬治·理查德森獎、中國土木工程詹天佑獎、中國建設工程魯班獎等）

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