天峨龙潭大桥外观雄伟。广西路桥工程有限公司供图
作者郑捷连肖像。张五常绘图
2月15日，天峨县发生4.4级地震，震中的天峨龙潭大桥完好无损。广西交科集团有限公司供图
近日，广西天峨县天峨龙潭大桥建成通车。该桥主跨600米，比国外最大混凝土拱桥跨度长210米，比2016年建成的沪昆高铁北盘江大桥创造的混凝土拱桥跨度高155米，创造了新的世界纪录。此外，与同桥位的斜拉桥方案相比，天峨龙潭大桥刚度更大、耐久性更好，造价更低。
本报邀请天鹅龙潭大桥总设计师、中国工程院院士郑继连，对该大桥的设计、建设，特别是创新亮点进行权威解读。
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天峨龙潭大桥位于广西天峨县，是南丹至夏老高速公路跨红水河大桥。大桥所处河段两岸山势高峻，水面宽约600米，水深160米，年最大水位落差可达45米。
天峨龙潭大桥全长约2500米，宽24.5米，双向四车道。主桥为刚架混凝土结构双肋无铰拱桥，计算跨度600米。拱肋采用等宽等高的混凝土箱形截面，拱脚、拱顶箱高分别为12米、8米，宽度6.5米。拱肋分两段平行布置，中心距16.5米。上下游拱肋间与各拱柱位置对应（间隔40米）设置混凝土箱形交叉缝。全桥共设13处交叉缝，交叉缝顶面、底面均施加预应力，以提高拱肋横向稳定性。主拱肋及交叉缝采用高性能混凝土。 主拱肋采用刚架结构施工法。
各拱肋刚性骨架为四管钢管混凝土桁架，桁架上、下弦管为高强韧耐腐蚀钢管，弦管间腹杆及平行连接杆为角钢焊接组合杆，以节点板形式与弦管连接。拱桁弦管架空节点先采用外法兰接头螺栓固定，再在管外焊接。管内浇筑自密实微膨胀混凝土。
刚架钢结构由两排钢管拱桁组成，共重8150吨，在桥位下游6公里龙滩电站闲置土地上工厂化制造，组成48个安装单元，由桅杆吊吊上船，运至桥位，采用缆索吊斜拉扣挂工艺进行安装。安装单元最大吊重约170吨，配有浇筑外层混凝土的底模板。拱肋外层混凝土采用逐环分段浇筑，每次采用8台压浆泵运浆，同时浇筑4个工作面，拱桁外层混凝土共浇筑36次。桥梁梁由预应力混凝土连续刚构和预应力混凝土连续T梁组成。
2023年3月，中国工程院与世界桥梁与结构工程协会联合举办世界大跨度拱桥建设大会，以在建的天峨龙潭大桥为背景，笔者作为大会主席作主旨报告，介绍了天峨龙潭大桥的设计、施工创新成果，受到国内外专家的高度评价。天峨龙潭大桥主跨600米，比国外最大跨度混凝土拱桥跨度高出210米，比2016年建成的沪昆高铁北盘江大桥创造的混凝土拱桥跨度世界纪录高出155米，相当于世界混凝土拱桥跨度100年的增长量。与同桥位斜拉桥方案相比，刚度更大、耐久性更好、几乎零维护，造价节省1.25亿。
2020年，项目业主委派我主持大桥的设计和施工。虽然我曾主持或指导过300米、400米跨度刚架混凝土拱桥的建设，但鉴于世界上尚无500米跨度混凝土拱桥建设经验，建设600米跨度混凝土拱桥风险巨大。天鹅龙潭大桥于2020年6月开工，2024年2月建成通车。四年来，在建设各方的共同努力下，实现了安全事故零、质量优良、不超造价、不超工期的目标。
钢管混凝土的正确选择
刚架拱强度
混凝土拱桥拱圈是在钢管混凝土刚架上浇筑混凝土而成，钢管混凝土刚架在拱圈施工过程中起拱架的作用，因此，坚固的架体是降低拱圈施工风险的首选。但坚固的架体必然会增加拱架施工难度，降低拱桥的经济性，因此选择强度合适的刚架拱架至关重要。作者提出以骨架钢桁架质量与外侧混凝土质量的比值来表征架体的强度，已建8座刚架混凝土拱桥的比值在合理范围内。
天峨龙潭大桥拱肋刚架钢重8150吨，外层混凝土28100立方米，二者质量比为1：8.6，比既有刚架混凝土拱桥多出框架钢材3000吨。即便如此，管内混凝土浇筑和底板混凝土浇筑过程中主拱中跨挠度增加量占外层混凝土浇筑后总挠度值的60%。当外层混凝土包裹上弦钢管时，相关指标已接近允许值。可见钢架强度选择是合适的。
解决外包混凝土浇筑问题
时间历史压力过大
刚架式骨架混凝土拱桥拱圈的形成是一个自架设过程，先架设钢管混凝土刚架；然后分环浇筑外套管混凝土。一环混凝土浇筑完成并达到强度后，与钢管混凝土刚架拱桁形成钢-混凝土组合结构，承载力和刚度得到提高。各环混凝土浇筑依次完成，直至混凝土拱圈完成，承载力和刚度逐渐提高。但值得注意的是，外套管混凝土的质量是刚架式钢管拱桁质量的9～15倍。因此，浇筑外套管混凝土是刚架式骨架混凝土拱桥施工中最危险的阶段中国钢结构协会桥梁，不仅荷载重量大，而且荷载时间长、荷载次数多，一旦每次混凝土浇筑失败，则很难补救。 采用分环、多工作面、多次浇筑的方式，刚性骨架与已获得强度的外壳混凝土会产生随时间变化的时程应力，有时会超过材料强度，必须通过合理分环、多工作面同时浇筑来控制。外壳混凝土浇筑获得强度后成为承重主体。钢管混凝土刚性拱架、拱桁埋置在混凝土中，增加混凝土拱圈的承载力和韧性。
天峨龙潭大桥拱肋浇筑混凝土2.81万立方米，分3环8个工作面，每次浇筑4个工作面，共完成36遍拱肋混凝土浇筑。每次浇筑混凝土约800立方米，浇筑时间7-10小时。8台泵同时向4个工作面输送混凝土。在此过程中，时程压应力始终处于较低水平。这种控制浇筑混凝土时程应力的方法是由中国工程师发明的，并在实践中不断得到完善和发展。
优化外包混凝土
配合比及施工工艺
刚架混凝土拱桥拱圈外层混凝土在浇筑至硬化过程中受到刚架多方向的强约束，极易产生收缩裂缝。解决强约束导致的收缩裂缝最好的办法是添加膨胀材料抵消收缩，但应考虑胶凝材料的水化过程，采用适用于外层混凝土的膨胀剂，以达到早期补偿收缩、后期不产生体积变形的目的。另外，在工作性能控制层面，应做到原材料均质化，尽可能避免因原材料差异而导致的混凝土工作性能不稳定的问题；在泵送现场，应实时调整混凝土的工作性能，保证入模混凝土的稳定性和均匀性。
施工过程中，应控制混凝土内外温湿度，降低温差应力和收缩应力，严格控制混凝土配制、运输、泵送、进模温度。养护阶段，应同时采取外膜保温措施，降低内外温差。此外，对外包混凝土表面不断洒水、喷洒保湿养护，减少混凝土表面收缩。通过以上措施，天峨龙潭大桥所有外包混凝土的浇筑质量和抗裂性能良好，表面平整、密实、无裂缝。此外，浇筑外包混凝土的模板经过精细设计、工厂化加工、半机械化安装，创下了国内外最短外包混凝土浇筑周期记录，浇筑混凝土分块间龄期差最小。可见天峨龙潭大桥拱肋外包混凝土的外加剂选择和浇筑经验具有普遍的借鉴意义。
根据相关研究和实践
大幅减少拱肋纵向钢筋
目前中国钢结构协会桥梁，刚架混凝土拱桥设计、施工尚无行业规范或国家标准，拱圈纵筋参考同类规范。天峨龙潭特大桥拱肋采用高性能混凝土，强度等级为C60。国内外同类规范规定全断面最小纵筋率为0.6～1%，但对刚架纵筋是否纳入配筋率计算尚不明确。我国学者姚国璜等研究表明，纵筋对刚架混凝土拱圈截面承载力和韧性的贡献远小于弦杆。因此，计算全断面最小纵筋率时应考虑刚架纵筋；且只要考虑刚架纵筋，大部分刚架混凝土拱桥都能满足全断面最小纵筋率要求，纵筋可根据结构需要配置。
鉴于现有相关理论的不完善，天鹅龙潭大桥最终采用了李国豪教授在其著作《桥梁结构稳定与振动》中推荐的公式，计算了弯矩增大系数，并根据该弯矩增大系数计算截面承载力，得出仅需纵向结构配筋的结论。通过进一步分析，认识到小偏心受压下混凝土拱肋截面受力行为与预应力混凝土梁并无区别，预应力混凝土梁仅需纵向结构配筋已成为共识。
此外，已通车26年的万县长江大桥、永宁甬江大桥等刚骨架混凝土拱桥的纵筋水平与天峨龙潭大桥相当，至今未发现拱圈混凝土出现横向裂缝。因此，笔者认为，刚骨架混凝土拱桥拱圈若为小偏心受压，刚骨架弦管可满足规范最小含钢量要求，纵向钢筋可按结构布置。同时，应对横向普通钢筋进行加强，必要时施加横向预应力，以防止混凝土产生有害的纵向裂缝。
中国拱桥技术与经验
将造福世界
混凝土拱桥拱圈受力极其合理，耐久性好，但较重，每米拱圈质量是同跨度斜拉桥或悬索桥加劲梁的5～10倍，而且弯曲，架设难度大，成本高。1898年，奥地利工程师约瑟夫·米兰提出刚性骨架法，先架设重量仅为外侧混凝土十分之一甚至更轻的钢拱骨架，然后在上面吊上模板，浇筑外侧混凝土，形成拱圈。国外采用此技术建成的混凝土拱桥最大跨度为260米。中国工程师采用钢管混凝土拱桁代替钢拱骨架，骨架用钢量节省了一半。 他们发明了混凝土成环、多工作面、分次浇筑的方法，减少了施工过程中产生的时程应力，降低了施工风险和成本，建成了11座跨度300米以上的刚架混凝土拱桥，其中包括跨度600米的天峨龙潭特大桥，这在世界上遥遥领先。天峨龙潭大桥建成后，荷载试验静动力性能良好，顺利通过验收，于2月1日正式通车。2月15日，天峨县发生4.4级地震，位于震中的天峨龙潭大桥安然无恙。
近30年来，特别是进入新时期以来，我国桥梁建设取得了长足进步，在我国大规模建设高铁、高速公路的需求带动下，建成了多座举世闻名的特大跨径桥梁，而天鹅龙潭大桥也不例外。天鹅龙潭大桥的通车，使混凝土拱桥跨径迈上了一个新台阶，是世界拱桥发展史上的里程碑，其技术创新和建设经验将惠及世界。
（作者为中国工程院院士、广西大学教授，长期从事拱桥研究与工程技术创新工作，曾获3项国家科技进步奖及茅以升科学技术奖-桥梁奖、李国豪原创桥梁技术奖等。其主持完成的桥梁项目荣获国际桥梁大会最高奖乔治·理查森奖、中国土木工程詹天佑奖、中国建筑工程鲁班奖等）
中国科协科技传播中心与本报联合推出
