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作者鄭皆連肖像畫。張武昌繪

由鄭皆連指導(dǎo)建造的安徽黃山太平湖大橋跨徑達(dá)330米。圖為鄭皆連在施工現(xiàn)場。

二〇二四年二月，由鄭皆連主持設(shè)計(jì)的廣西天峨龍灘特大橋建成通車，其主橋計(jì)算跨徑達(dá)六百米。

各類拱橋跨徑世界第一

橋梁是跨越河流、山谷等障礙的人工構(gòu)筑物，拱橋是以受壓的拱圈作為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁，具有受力合理、超載能力強(qiáng)、剛度大、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，是橋梁最主要的分支。

在古代，由于缺乏抗拉性能好的建筑材料，以受壓為主的拱橋在所有橋型中競爭優(yōu)勢(shì)明顯。中國拱橋建造歷史悠久，公元605年建成跨徑37.02米的趙州橋，在全世界范圍內(nèi)首次發(fā)明了敞肩拱，減輕了上部結(jié)構(gòu)自重，改善了拱腳受力，為拱橋增大跨徑找到了一條正確路徑。公元1192年建成的盧溝橋?yàn)槭豢撞坏瓤邕B續(xù)圓弧石拱橋，曾通過400噸平板車，證明了拱橋優(yōu)越的耐久性和超載能力。

在當(dāng)代，梁橋、斜拉橋和懸索橋等橋型迅猛發(fā)展，在一定程度上擠占了拱橋的應(yīng)用空間。在此背景下，力學(xué)性能優(yōu)良的拱橋要獲得持續(xù)發(fā)展，必須要解決兩大問題：其一，降低施工風(fēng)險(xiǎn)；其二，降低拱肋安裝費(fèi)。

50多年來，筆者團(tuán)隊(duì)圍繞這兩個(gè)難題進(jìn)行了刻苦攻關(guān)和大量實(shí)踐，取得了系列成果。1968年，筆者提出了斜拉扣掛松索合攏架設(shè)拱肋的方法，在國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了建拱橋不搭支架，適合跨徑100米內(nèi)拱肋懸拼，且可以大幅降低施工費(fèi)用。上世紀(jì)七八十年代，廣西采用該方法建成40余座跨徑100米左右的預(yù)制懸拼鋼筋混凝土箱型拱橋，單位造價(jià)與跨徑30米的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋持平。

1994年，在建設(shè)當(dāng)時(shí)世界最大跨徑中承式混凝土肋拱橋——廣西邕寧邕江橋時(shí)，筆者提出了斜拉扣掛合攏后松索法，在靜態(tài)中完成拱桁節(jié)段從懸掛結(jié)構(gòu)向拱的體系轉(zhuǎn)換，大大提高了節(jié)段懸拼過程的安全性，使懸拼拱橋跨徑提高到500米成為可能。在此期間，1977年，中國工程師張聯(lián)燕提出了拱橋轉(zhuǎn)體施工工法，為拱橋無支架施工又提供了新途徑。2008年，中國工程師用斜拉索、掛籃懸澆工法首次建成了西攀高速跨徑150米鋼筋混凝土北沙溝拱橋。上述無支架施工方法的創(chuàng)立，使中國拱橋建設(shè)完成了從傳統(tǒng)向現(xiàn)代的跨越，在中國拱橋建設(shè)史上具有劃時(shí)代意義。由于拱橋事故多數(shù)由支架變形和垮塌導(dǎo)致的，拱橋無支架施工大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

無支架施工技術(shù)的發(fā)展再加上材料、裝備的進(jìn)步，使中國拱橋建造數(shù)量迅速增加，跨徑獲得重大突破。特別是最近30年，伴隨著大量建設(shè)高速公路、高速鐵路帶來的需求，中國建成了一系列世界最大跨徑拱橋，其中有跨徑146米的山西丹河石拱橋，跨徑550米的上海盧浦鋼箱拱橋，跨徑552米的重慶朝天門鋼桁拱橋，跨徑445米的滬昆高鐵北盤江混凝土拱橋，跨徑430米的拉林鐵路藏木鋼管混凝土拱橋，跨徑560米的廣西平南鋼管混凝土拱橋，跨徑600米的廣西天峨龍灘混凝土拱橋。這些標(biāo)志著中國各類拱橋跨徑均列世界第一，躋身橋梁強(qiáng)國之列。

兩類拱橋發(fā)展最快

最近30年，中國拱橋發(fā)展最快的分支有兩個(gè)：鋼管混凝土拱橋和混凝土拱橋。

鋼管混凝土拱橋是以鋼管混凝土為拱圈主要受力構(gòu)件的拱橋，起源于蘇聯(lián)。該國于1937年和1939年各建成一座，但施工方法是在預(yù)制場將鋼管分段灌注混凝土，在滿堂支架上拼裝成拱，未能發(fā)揮鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)、施工優(yōu)勢(shì)，從而喪失了經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，以致在此后的80余年間，世界再?zèng)]有用此法建設(shè)新的該類拱橋。幸運(yùn)的是，由于具有良好的技術(shù)儲(chǔ)備和巨大的工程需求，從上世紀(jì)90年代起，鋼管混凝土拱橋在中國大放異彩。中國工程師利用自己開發(fā)的斜拉扣掛和轉(zhuǎn)體技術(shù)架設(shè)鋼管拱桁，用自己研發(fā)的真空輔助多級(jí)壓力連續(xù)泵送技術(shù)灌注膨脹與收縮可控制的管內(nèi)混凝土，提高了鋼管混凝土拱橋質(zhì)量，降低了造價(jià)，縮短了工期，增強(qiáng)了競爭力。30年來，中國建成了鋼管混凝土拱橋近500座，其中跨徑大于300米的22座，最大跨徑達(dá)560米。實(shí)踐證明，鋼管混凝土拱橋從跨徑100米至近600米均有較大競爭力。與之相比，國外建成的鋼管混凝土拱橋最大跨徑僅240米。

混凝土拱橋剛度大、耐久性好、結(jié)構(gòu)材料費(fèi)用低，但拱肋質(zhì)量是同跨徑斜拉橋、懸索橋加勁梁質(zhì)量的5-10倍，且架設(shè)全靠大型臨時(shí)設(shè)施，施工風(fēng)險(xiǎn)大，費(fèi)用高。對(duì)此，1898年，奧地利工程師約瑟夫·米蘭發(fā)明了施工混凝土拱肋的勁性骨架法，即先架設(shè)質(zhì)量約為拱肋質(zhì)量1/10的鋼拱骨架，然后在其上掛模澆筑拱肋混凝土，促進(jìn)了世界范圍內(nèi)混凝土拱橋的發(fā)展。

中國工程師對(duì)推動(dòng)勁性骨架混凝土拱橋建造技術(shù)進(jìn)步，作出了多方面重要貢獻(xiàn)，包括用鋼管混凝土拱桁代替鋼拱桁作勁性骨架，用鋼量降低50%；開發(fā)了分環(huán)、多工作面澆筑外包混凝土和斜拉索調(diào)載技術(shù)，能有效地控制拱肋施工時(shí)程應(yīng)力及降低永存應(yīng)力；從而大幅提高了混凝土拱橋的安全性、經(jīng)濟(jì)性，推動(dòng)其高速發(fā)展。截至2024年，全世界跨徑大于200米的混凝土拱橋有67座，其中勁性骨架混凝土拱橋20座，掛籃懸澆31座；跨徑大于300米有20座，其中勁性骨架混凝土拱橋11座，掛籃懸澆5座；跨徑大于400米有5座，全是勁性骨架混凝土拱橋；且所有11座跨徑大于300米的勁性骨架混凝土拱橋都在中國，最大跨徑達(dá)600米。而130年來，國外建成勁性骨架混凝土拱橋最大跨徑260米。

兩座拱橋接連刷新世界紀(jì)錄

近6年來，筆者主持建成了跨徑排名世界第一、第二的拱橋，即天峨龍灘大橋、平南三橋，被公認(rèn)為是這兩種橋型的杰出代表。

廣西平南三橋，是一座跨越潯江的鋼管混凝土拱橋，計(jì)算跨徑560米，其建設(shè)不僅要成功解決超大跨徑難題，而且還必須克服北岸橋臺(tái)建在卵石層上、南岸橋臺(tái)建在基巖上導(dǎo)致的巨大困難。為此，筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使北臺(tái)基礎(chǔ)幾乎處于中心受壓，邊緣最大應(yīng)力降到800千帕內(nèi)。

經(jīng)對(duì)6個(gè)卵石注漿模型實(shí)驗(yàn)及3塊承載板原位加載實(shí)驗(yàn)判斷，北岸橋臺(tái)采用“地下連續(xù)墻+注水泥漿加固的卵石層”復(fù)合基礎(chǔ)能滿足應(yīng)力和變形需求，大橋建成后北臺(tái)在160萬千牛恒載重壓下、20萬千牛水平力作用下，20個(gè)月的卵石地基沉降僅為5.2毫米，橋臺(tái)水平位移3.5毫米，完全滿足設(shè)計(jì)要求。平南三橋的建成，為在非巖地區(qū)建造大跨徑推力拱橋提供了一個(gè)成功范例，擴(kuò)大了推力拱橋適用范圍。

建造過程中，平南三橋?qū)崿F(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)大型化、裝配化、工廠化施工，工廠化率達(dá)85%；研制了大流動(dòng)性、自密實(shí)、膨脹收縮可設(shè)計(jì)的混凝土材料，使管內(nèi)C70混凝土灌注密實(shí)與鋼管結(jié)合緊密，715天齡期弦管混凝土超聲波速保持在5000米/秒左右，表明管內(nèi)混凝土不僅沒脫粘，還對(duì)鋼管壁保持一定的壓力，突破了阻礙鋼管混凝土拱橋發(fā)展最重要的質(zhì)量瓶頸；獨(dú)創(chuàng)以力主動(dòng)控制方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛度被動(dòng)控制方法控制吊扣塔位移，不但實(shí)現(xiàn)了吊扣塔大幅瘦身，拱桁節(jié)段吊運(yùn)過程中造成的塔頂位移從分米級(jí)下降到厘米級(jí)。值得一提的是，該技術(shù)還應(yīng)用于世界上最大跨徑連拱橋渝湘復(fù)線高速公路雙堡特大橋，成功解決了其中間扣塔由于兩跨拱桁不同步懸拼引起扣索力相差4000千牛導(dǎo)致的偏位問題，大大減小了中間扣塔受力；發(fā)明斜拉扣索一次張拉不調(diào)索、每組扣索一次拆除工法，加快了拱桁懸拼速度和質(zhì)量，節(jié)省了費(fèi)用。平南三橋建設(shè)期間，零安全事故，質(zhì)量全優(yōu)，工期28個(gè)月，每平方米造價(jià)僅為18152元。中國工程院外籍院士鄧文中指出，平南三橋建造技術(shù)代表鋼管混凝土拱橋最高水平。

天峨龍灘大橋位于廣西天峨縣境內(nèi)，跨越龍灘水庫庫區(qū)，水面寬約600米，水深160米，經(jīng)初步設(shè)計(jì)比較，混凝土拱橋方案較斜拉橋建安費(fèi)少1.25億，100年維護(hù)費(fèi)少4.7億而勝出。

大橋全長2488.55米，橋?qū)?4.5米，其中主橋?yàn)橛?jì)算跨徑600米上承式混凝土雙肋拱橋，矢高125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；橫向平行設(shè)置兩肋，肋間凈距10米，設(shè)置13道鋼筋混凝土箱型橫聯(lián)；拱肋及橫聯(lián)均采用C60混凝土。采用勁性骨架法施工。

拱肋外包混凝土豎向分為底板、腹板、頂板三環(huán)，每環(huán)分8個(gè)工作面對(duì)稱澆筑，每次由8臺(tái)壓力泵執(zhí)行混凝土泵送，同步澆筑4個(gè)工作面，36次完成拱肋外包混凝土澆筑，澆筑過程中，拱桁撓度、應(yīng)力觀測(cè)值與按線彈性疊加計(jì)算值吻合，最大差值分別為2%、9%。

天峨龍灘特大橋主孔將世界混凝土拱橋跨徑世界紀(jì)錄一次性提高155米，比國外最大跨徑混凝土拱橋大210米，建造風(fēng)險(xiǎn)大。主要風(fēng)險(xiǎn)源是在8150噸勁性拱骨架上分36次澆筑質(zhì)量7萬多噸的2.81萬立方米外包混凝土，任何一次澆筑都不允許失敗，且時(shí)程應(yīng)力和撓度必須控制在限值之內(nèi)。

圍繞這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源，筆者團(tuán)隊(duì)解決好了以下技術(shù)難題：一是提出了勁性骨架強(qiáng)勁度的合理選擇準(zhǔn)則，既確保了施工時(shí)作為拱架的安全又控制了材料用量；二是通過合理分環(huán)和科學(xué)設(shè)置多工作面同時(shí)澆筑，兼顧了結(jié)構(gòu)時(shí)程應(yīng)力抑制和現(xiàn)場施工時(shí)效，實(shí)現(xiàn)了拱肋外包混凝土的安全、快速施工；三是收縮補(bǔ)償精細(xì)設(shè)計(jì)和工作性能調(diào)控雙管齊下，實(shí)現(xiàn)了2.81萬立方米拱圈外包混凝土不開裂；四是采取綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，使跨徑600米混凝土拱橋成橋應(yīng)力水平與已建成的跨徑400米級(jí)混凝土拱橋持平；五是建立了拱肋縱向配筋優(yōu)化方法，使縱向配筋減少到原方案的1/16。經(jīng)43個(gè)月施工，大橋于2024年2月1日建成通車，實(shí)現(xiàn)了零安全事故，質(zhì)量全優(yōu)，不超概算。建成后，大橋還經(jīng)受了距橋位10千米震中4.4級(jí)地震的考驗(yàn)，安然無恙。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，平南三橋與天峨龍灘特大橋的實(shí)測(cè)鋼、混凝土應(yīng)力水平較低，雙非線性計(jì)算的拱圈承載能力安全系數(shù)較大。因此，初步推斷，用現(xiàn)有工法、材料、裝備把兩類拱橋跨徑增大到700米是可行的。2019年、2023年中國工程院和國際橋梁及結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)以這兩橋?yàn)閰⒂^對(duì)象，在中國南寧召開了兩次世界大跨徑拱橋建造大會(huì)，筆者擔(dān)任大會(huì)主席，作主旨報(bào)告，大橋建設(shè)成就受到與會(huì)國內(nèi)外專家廣泛稱贊，為國家贏得了聲譽(yù)。

拱橋科創(chuàng)永遠(yuǎn)在路上

新中國成立75年來，特別是進(jìn)入新時(shí)代以來，中國拱橋建設(shè)獲得高速發(fā)展，到目前為止，世界所有類別拱橋按跨徑排序前10名中，中國占8位，還囊括了前6位，且擁有拱橋設(shè)計(jì)、施工主要發(fā)明專利，是名副其實(shí)的世界拱橋第一強(qiáng)國。但我們也必須清醒地意識(shí)到，至2022年底止，中國建成的113萬座橋梁中，拱橋僅占16%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到這種力學(xué)性能最優(yōu)橋型應(yīng)占比例。此外，中國在結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件、施工智能化方面與國外還存在差距。

中國著名航天科學(xué)家錢學(xué)森在其所著的《工程和工程科學(xué)》中指出，工程科學(xué)家對(duì)工程發(fā)展的貢獻(xiàn)就是在確保工程技術(shù)可行前提下，努力做到人力和財(cái)力的節(jié)省。筆者團(tuán)隊(duì)始終遵循這一原則：拱橋經(jīng)濟(jì)占優(yōu)時(shí)，我們不畏懼突破世界跨徑紀(jì)錄；反之我們絕不盲目追求大跨徑。中國拱橋工程師將繼續(xù)秉承這一原則，通過研究與實(shí)踐，加強(qiáng)國際交流，不斷提高拱橋質(zhì)量，降低造價(jià)，繼續(xù)為中國拱橋建造技術(shù)造福世界而奮斗。

（作者鄭皆連為著名路橋工程專家、中國工程院院士）

中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心、陳家庚科學(xué)獎(jiǎng)基金會(huì)與本報(bào)合作推出