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(fā)生4.4級(jí)地震，處于震中的天峨龍灘特大橋安然無(wú)恙（廣西交科集團(tuán)有限公司)供圖

　　近日，位于廣西壯族自治區(qū)天峨縣境內(nèi)的天峨龍灘特大橋建成并通車，該橋主孔跨徑600米，比國(guó)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(chuàng)造的混凝土拱橋跨徑一次性提高了155米，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)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(jià)更低。

　　本報(bào)邀請(qǐng)天峨龍灘特大橋總設(shè)計(jì)師、中國(guó)工程院院士鄭皆連對(duì)該橋設(shè)計(jì)、建造等情況，特別是創(chuàng)新亮點(diǎn)，進(jìn)行權(quán)威解讀。

　　——編 者

　　天峨龍灘特大橋位于廣西天峨縣境內(nèi)，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(dá)45米。

　　天峨龍灘特大橋全長(zhǎng)約2500米，全寬24.5米，雙向四車道。其中，主橋?yàn)樯铣惺絼判怨羌芑炷岭p肋無(wú)鉸拱橋，計(jì)算跨徑600米。拱肋采用等寬變高的混凝土箱型截面，拱腳、拱頂箱高分別為12米、8米，寬度均為6.5米；拱肋橫向平行設(shè)置兩片，中心間距16.5米，在對(duì)應(yīng)每處拱上立柱位置（40米間隔）的上、下游拱肋間設(shè)置一道混凝土箱形橫聯(lián)，全橋共13道，橫聯(lián)頂、底面張拉預(yù)應(yīng)力以提高拱肋的橫向穩(wěn)定性，主拱肋及橫聯(lián)均采用高性能混凝土。主拱肋采用勁性骨架法施工。

　　每片拱肋的勁性骨架均為四管式鋼管混凝土桁架，桁架上、下弦管均為高強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性的鋼管。弦管間的腹桿和平聯(lián)桿均采用角鋼焊接組合桿，以節(jié)點(diǎn)板的形式與弦管連接。拱桁弦管空中接頭采用先外法蘭接頭栓接固定、再管外焊接的形式連接。管內(nèi)灌注一種自密實(shí)微膨脹混凝土。

　　勁性骨架的鋼結(jié)構(gòu)由兩列鋼管拱桁組成，共重8150噸，在橋位下游6千米的龍灘電站閑置土地建廠制造，形成48個(gè)安裝單元，采用桅桿吊機(jī)吊上船，運(yùn)至橋位，再采用纜索吊運(yùn)斜拉扣掛工藝安裝，安裝單元最大吊重約170噸，并帶上了澆注外包混凝土的底模板；拱肋外包混凝土采用分環(huán)分段方式澆注，每次由8臺(tái)壓力泵執(zhí)行混凝土輸送，同步澆注4個(gè)工作面，36次完成拱桁外包混凝土澆注；橋道梁由預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁組成。

　　2023年3月，以施工中的天峨龍灘特大橋?yàn)楸尘?，由中?guó)工程院和世界橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)聯(lián)合召開世界大跨徑拱橋建造大會(huì)，筆者作為會(huì)議主席作主旨報(bào)告，介紹了天峨龍灘特大橋的設(shè)計(jì)施工創(chuàng)新，獲得國(guó)內(nèi)外專家的高度評(píng)價(jià)。天峨龍灘特大橋主孔跨徑600米，比國(guó)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(chuàng)造的混凝土拱橋跨徑世界紀(jì)錄一次性提高155米，相當(dāng)于世界混凝土拱橋跨徑100年增長(zhǎng)量，與同橋位斜拉橋方案比，剛度大、耐久性更好、幾乎零維護(hù)，造價(jià)還少1.25億。

　　2020年，項(xiàng)目業(yè)主指定筆者主持大橋設(shè)計(jì)施工技術(shù)工作。雖然筆者曾主持或指導(dǎo)建造了跨徑300米級(jí)、400米級(jí)的勁性骨架混凝土拱橋，但在全世界此前都沒(méi)有500米級(jí)混凝土拱橋建造經(jīng)驗(yàn)的前提下，建造跨徑600米混凝土拱橋存在著巨大風(fēng)險(xiǎn)。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(lái)，在參建各方共同努力下，實(shí)現(xiàn)了零安全事故、質(zhì)量全優(yōu)、造價(jià)和工期不超的目標(biāo)。

　　恰當(dāng)選擇鋼管混凝土

勁性拱骨架強(qiáng)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(guò)程中起拱架作用，因此強(qiáng)骨架是降低拱圈施工風(fēng)險(xiǎn)的首選。但強(qiáng)骨架必然增加拱骨架的施工難度，降低拱橋的經(jīng)濟(jì)性，因此選擇恰當(dāng)強(qiáng)勁度的勁性拱骨架至關(guān)重要。筆者提出，以骨架鋼桁質(zhì)量與外包混凝土質(zhì)量之比來(lái)表征骨架強(qiáng)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(qū)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(wàn)立方米，二者質(zhì)量之比為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(nèi)混凝土及澆注底板混凝土階段主拱跨中撓度增長(zhǎng)值，占外包混凝土澆注完成后總撓度值的60%，在外包混凝土包裹上弦鋼管時(shí)，相關(guān)指標(biāo)接近容許值。由此可知，鋼骨架強(qiáng)勁度的選擇是恰當(dāng)?shù)摹?/span>

　　克服澆注外包混凝土過(guò)程中

　　產(chǎn)生過(guò)大的時(shí)程應(yīng)力

　　勁性骨架混凝土拱橋拱圈的形成是一個(gè)自架設(shè)過(guò)程。首先，架設(shè)鋼管混凝土勁性拱骨架；然后，分環(huán)澆注外包混凝土，一環(huán)混凝土澆注完成獲得強(qiáng)度后，與鋼管混凝土勁性拱骨架拱桁形成鋼-混組合結(jié)構(gòu)，承載能力和剛度得到提高，逐次完成各環(huán)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(zhì)量達(dá)勁性骨架鋼管拱桁質(zhì)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(xiǎn)的階段，不但加載重量大，而且加載時(shí)間長(zhǎng)、加載次數(shù)多，每次混凝土澆注一旦失敗，就難于補(bǔ)救。采用分環(huán)、多工作面、多次澆注，勁性骨架及已獲得強(qiáng)度的外包混凝土?xí)a(chǎn)生隨時(shí)間而變的時(shí)程應(yīng)力，該力有時(shí)會(huì)超過(guò)材料強(qiáng)度，所以要靠合理分環(huán)、多工作面同時(shí)澆注來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制。外包混凝土澆注完成獲得強(qiáng)度后成為受力主體，鋼管混凝土勁性拱骨架拱桁埋在混凝土內(nèi)，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(wàn)立方米，分3環(huán)8個(gè)工作面，每次4個(gè)工作面同時(shí)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(gè)小時(shí)，由8臺(tái)泵同時(shí)向4個(gè)工作面輸送混凝土，在此過(guò)程中，使時(shí)程壓應(yīng)力始終處于較低水平。這種控制澆注外包混凝土的時(shí)程應(yīng)力方法由中國(guó)工程師發(fā)明，并在實(shí)踐中不斷完善、發(fā)展。

　　優(yōu)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(guò)程中受到勁性骨架的多方向強(qiáng)約束，易產(chǎn)生收縮裂縫。解決強(qiáng)約束產(chǎn)生收縮裂縫問(wèn)題最好的途徑是摻入膨脹材料以抵消收縮，但應(yīng)考慮膠凝材料的水化進(jìn)程，采用適用于外包混凝土的膨脹劑，實(shí)現(xiàn)前期補(bǔ)償收縮，后期不發(fā)生體積變形。此外，在工作性能控制層面，應(yīng)進(jìn)行原材料均化，盡可能避免原材料差異導(dǎo)致的混凝土工作性能不穩(wěn)定的問(wèn)題；在泵送現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)調(diào)控混凝土工作性能，保障入?；炷恋姆€(wěn)定性、均勻性。

　　在施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)混凝土內(nèi)外溫濕度進(jìn)行控制，以減小溫差應(yīng)力、干縮應(yīng)力，嚴(yán)格控制混凝土制備、運(yùn)輸、泵送、入模溫度。在養(yǎng)護(hù)階段采取外界覆膜保溫措施，同步降低內(nèi)外溫差。此外，對(duì)外包混凝土表面進(jìn)行持續(xù)性噴水、噴霧保濕養(yǎng)護(hù)，以減少混凝土表面的干縮。通過(guò)以上措施，實(shí)現(xiàn)了天峨龍灘特大橋所有外包混凝土的良好澆注質(zhì)量及抗裂效果，表面光滑密實(shí)無(wú)裂縫。另外，對(duì)澆注外包混凝土的模板進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)、工廠化加工，半機(jī)械化安裝，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外包混凝土澆注最短周期記錄，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(jīng)驗(yàn)有普遍借鑒意義。

　　根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)踐

　　大幅度減少拱肋縱向配筋

　　現(xiàn)階段，勁性骨架混凝土拱橋無(wú)設(shè)計(jì)施工行業(yè)規(guī)范、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，拱圈縱向配筋參照相近規(guī)范。天峨龍灘特大橋拱肋外包混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60的高性能混凝土，國(guó)內(nèi)外相近規(guī)范規(guī)定的全截面縱向最小配筋率為0.6-1%，但未明確配筋率計(jì)算是否計(jì)入勁性骨架的縱向弦管。中國(guó)學(xué)者堯國(guó)皇等人研究表明：縱向鋼筋對(duì)勁性骨架混凝土拱圈截面承載能力及韌性的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于弦管，因此計(jì)算全截面縱向最小配筋率時(shí)，應(yīng)考慮勁性骨架的縱向弦管；并且，只要考慮勁性骨架的縱向弦管，絕大多數(shù)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(gòu)造需要配置即可。

　　鑒于現(xiàn)有相關(guān)理論不完善，天峨龍灘特大橋最終采用李國(guó)豪教授《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)》一書推薦的公式，計(jì)算力矩增大系數(shù)并按此力矩增大系數(shù)計(jì)算截面承載能力，得出結(jié)論：縱向只需配構(gòu)造鋼筋即可。我們通過(guò)進(jìn)一步分析認(rèn)識(shí)到，混凝土拱肋截面小偏心受壓，其截面力學(xué)行為與預(yù)應(yīng)力混凝土梁無(wú)異，而預(yù)應(yīng)力混凝土梁縱向只配構(gòu)造筋已成共識(shí)。

　　此外，已通車26年的勁性骨架混凝土拱橋萬(wàn)縣長(zhǎng)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(dāng)，至今拱圈混凝土無(wú)橫向裂縫。因此，筆者認(rèn)為勁性骨架混凝土拱橋拱圈如處于小偏心受壓，勁性骨架弦管能滿足規(guī)范最小含鋼率要求，縱向按構(gòu)造配筋即可。同時(shí)，橫向宜加強(qiáng)普通鋼筋，必要時(shí)張拉橫向預(yù)應(yīng)力防止混凝土縱向有害裂縫發(fā)生。

　　中國(guó)拱橋技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)

　　將造福世界

　　混凝土拱橋拱圈受力極為合理，耐久性好，但是重量大，每米拱圈質(zhì)量是同跨徑斜拉橋、懸索橋加勁梁的5-10倍，且呈曲線形，架設(shè)困難，費(fèi)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(shè)僅為外包混凝土重量1/10甚至更輕的鋼拱骨架，然后在其上掛模板，澆注外包混凝土，形成拱圈，國(guó)外使用此技術(shù)建設(shè)的混凝土拱橋最大跨徑260米。中國(guó)工程師用鋼管混凝土拱桁代替鋼拱骨架，節(jié)省骨架一半用鋼量，發(fā)明了分環(huán)、多工作面、多段澆注混凝土，降低施工中產(chǎn)生的時(shí)程應(yīng)力，降低了建造風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，建造了11座跨徑大于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(yuǎn)遠(yuǎn)走在世界前列。天峨龍灘特大橋建成后，經(jīng)過(guò)荷載試驗(yàn)靜力、動(dòng)力性能良好，順利通過(guò)交工驗(yàn)收，2月1日正式通車運(yùn)營(yíng)。2月15日，天峨縣發(fā)生4.4級(jí)地震，處于震中的天峨龍灘特大橋安然無(wú)恙。

　　最近30年，特別是進(jìn)入新時(shí)代以來(lái)，中國(guó)橋梁建設(shè)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，建成許多超大跨徑世界名橋，得益于中國(guó)高速鐵路、高速公路大規(guī)模建設(shè)產(chǎn)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(gè)大臺(tái)階，是世界拱橋發(fā)展史上的一座里程碑，其技術(shù)創(chuàng)新和建造經(jīng)驗(yàn)將造福世界。

　　（作者為中國(guó)工程院院士、廣西大學(xué)教授，長(zhǎng)期從事拱橋科研和工程技術(shù)創(chuàng)新工作，曾獲3項(xiàng)國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)和茅以升科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)——橋梁大獎(jiǎng)、李國(guó)豪原創(chuàng)橋梁技術(shù)獎(jiǎng)等；所主持的大橋項(xiàng)目榮獲國(guó)際橋梁大會(huì)最高獎(jiǎng)喬治·理查德森獎(jiǎng)、中國(guó)土木工程詹天佑獎(jiǎng)、中國(guó)建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)等）