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?zhí)於臊垶┨卮髽蚩傇O(shè)計(jì)師、中國工程院院士鄭皆連對該橋設(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臺壓力泵執(zhí)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?，由中國工程院和世界橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會聯(lián)合召開世界大跨徑拱橋建造大會，筆者作為會議主席作主旨報(bào)告，介紹了天峨龍灘特大橋的設(shè)計(jì)施工創(chuàng)新，獲得國內(nèi)外專家的高度評價(jià)。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(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、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(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，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，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?/p>

克服澆注外包混凝土過程中

產(chǎn)生過大的時程應(yīng)力

勁性骨架混凝土拱橋拱圈的形成是一個自架設(shè)過程。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，而且加載時間長、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)生隨時間而變的時程應(yīng)力，該力有時會超過材料強(qiáng)度，所以要靠合理分環(huán)、多工作面同時澆注來對其進(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2.81萬立方米，分3環(huán)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(yīng)力始終處于較低水平。這種控制澆注外包混凝土的時程應(yīng)力方法由中國工程師發(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)定的問題；在泵送現(xiàn)場，實(shí)時調(diào)控混凝土工作性能，保障入?；炷恋姆€(wěn)定性、均勻性。

在施工過程中，應(yīng)對混凝土內(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)無裂縫。另外，對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設(shè)計(jì)施工行業(yè)規(guī)范、國家標(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)度等級為C60的高性能混凝土，國內(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。中國學(xué)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(xiàn)遠(yuǎn)小于弦管，因此計(jì)算全截面縱向最小配筋率時，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豪教授《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動》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。我們通過進(jìn)一步分析認(rèn)識到，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)力混凝土梁無異，而預(yù)應(yīng)力混凝土梁縱向只配構(gòu)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(dāng)，至今拱圈混凝土無橫向裂縫。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，橫向宜加強(qiáng)普通鋼筋，必要時張拉橫向預(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，國外使用此技術(shù)建設(shè)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(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)過荷載試驗(yàn)靜力、動力性能良好，順利通過交工驗(yàn)收，2月1日正式通車運(yùn)營。2月15日，天峨縣發(fā)生4.4級地震，處于震中的天峨龍灘特大橋安然無恙。

最近30年，特別是進(jìn)入新時代以來，中國橋梁建設(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大臺階，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。

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