作者郑嘉琏肖像。张五常画
郑九莲主持修建的安徽黄山太平湖大桥，跨度330米。图为郑九莲在施工现场。
2024年2月，郑九莲设计的广西天儿龙潭大桥竣工通车。其主桥计算跨度为600米。
各类拱桥跨度居世界第一
桥梁是跨越河流、山谷和其他障碍物的人工结构。拱桥是以压缩拱圈为主要承重结构的桥梁。具有受力合理、过载能力强、刚度高、耐久性好等优点。它们是桥梁最重要的特征。分支。
在古代，由于缺乏具有良好抗拉性能的建筑材料钢结构梁挠度限值，受压拱桥在所有桥梁类型中具有明显的竞争优势。我国拱桥建设有着悠久的历史。公元605年，跨度37.02米的赵州桥建成。世界上首次发明了开肩拱，减轻了上部结构的重量，改善了拱脚受力，增加了拱桥的跨度。找到了正确的道路。卢沟桥建于公元1192年，是一座不等跨十一孔连续弧形石拱桥。曾超越400吨平板卡车，证明了拱桥超强的耐久性和过载能力。
当代，梁桥、斜拉桥、悬索桥等桥型发展迅速，一定程度上占领了拱桥的应用空间。在此背景下，具有优良力学性能的拱桥要想实现可持续发展，必须解决两大问题：一是降低施工风险；二是降低施工风险。二是降低拱肋安装成本。
50多年来，作者团队围绕这两个问题，艰苦奋斗、广泛实践，取得了一系列成果。 1968年，作者提出了斜扣松索架设拱肋的方法。修建无托架拱桥，在国内外尚属首次。适用于100米跨度内吊挂拱肋，可显着降低施工成本。 20世纪70年代和80年代，广西采用这种方法建造了40多座跨度约100米的预制悬索钢筋混凝土箱拱桥。单位造价与跨度30米预应力混凝土简支梁桥相同。
1994年，在修建当时世界上最大的中跨混凝土肋拱桥——广西永宁邕江大桥时，作者提出了斜拉扣合拢后松索的斜拉法。完成拱桁架节段从悬挂结构的静态吊装。转为拱桥系统大大提高了节片悬索组装过程的安全性，使悬索拱桥的跨度增加到500米成为可能。在此期间，1977年，我国工程师张连岩提出了拱桥旋转施工法，为拱桥无支撑施工提供了一条新途径。 2008年，中国工程师首次采用斜拉吊篮浇注法在西盘高速公路上修建了150米跨钢筋混凝土北沙沟拱桥。上述无支撑施工方法的创立，使我国拱桥建设完成了从传统到现代的跨越，在我国拱桥建设史上具有划时代的意义。由于大多数拱桥事故都是由支架变形、倒塌造成的，无支架拱桥施工大大降低了施工风险。
无支撑施工技术的发展，加上材料和设备的进步，使得我国建造的拱桥数量迅速增加，跨度也取得重大突破。特别是近30年来，随着高速公路、高铁大量建设带来的需求，我国建成了一系列世界上跨度最大的拱桥，其中山西丹河石拱桥的跨度为146米，上海卢浦大桥跨度550米。跨度552米的重庆朝天门钢桁架拱桥、沪昆高铁北盘江混凝土拱桥跨度445米、拉林铁路藏木钢管混凝土拱桥跨度430米、广西屏南钢管混凝土拱桥跨度560米，广西天峨龙潭跨度600米混凝土拱桥。这标志着我国各类拱桥跨度跃居世界第一，跻身桥梁强国行列。
两类拱桥发展最快
近30年来，我国拱桥发展最快的有两个分支：钢管混凝土拱桥和混凝土拱桥。
钢管混凝土拱桥是以钢管混凝土作为拱圈主要受力构件的拱桥。它起源于苏联。国家1937年建了一座，1939年建了一座。但施工方法是在预制场将混凝土浇注到预制场的钢管段中，在全长支撑上组装成拱门。这未能充分发挥钢管混凝土拱桥的结构和施工优势，从而失去了其经济优势，在此后的80年里，国内再没有采用这种方法新建该类型的拱桥。世界。幸运的是，由于良好的技术储备和巨大的工程需求，钢管混凝土拱桥自20世纪90年代以来在中国开始流行。中国工程师利用自主研发的斜拉紧固和旋转技术架设钢管拱桁，并利用自主研发的真空辅助多级压力连续泵送技术，在管内注入可控膨胀和收缩的混凝土，提高了钢管拱桁的稳定性。提高了钢管混凝土拱桥的质量，降低了造价。降低成本，缩短工期，增强竞争力。 30年来，我国已建成钢管混凝土拱桥近500座，其中跨度超过300米的有22座，最大跨度达到560米。实践证明，跨度从100米到近600米的钢管混凝土拱桥具有很强的竞争力。相比之下，国外建造的钢管混凝土拱桥最大跨度仅为240米。
混凝土拱桥刚度高、耐久性好、结构材料成本低。但拱肋质量是同跨度斜拉桥、悬索桥加劲梁的5-10倍，且架设完全依赖大型临时设施，施工风险大、成本高。 。对此，1898年，奥地利工程师约瑟夫·米兰发明了建造混凝土拱肋的刚性骨架法，即先架设质量约为拱肋质量1/10的钢拱骨架，然后在其上挂上模具。浇筑拱肋混凝土。 ，推动世界范围内混凝土拱桥的发展。
中国工程师在多方面为刚构混凝土拱桥施工技术的进步做出了重要贡献，包括用钢管混凝土拱桁代替钢拱桁作为刚构，减少钢材使用量50%；开发开环、多工作面外浇混凝土和斜拉调载技术，可以有效控制拱肋施工过程中的应力，降低永久应力；从而大大提高混凝土拱桥的安全性和经济性，促进其快速发展。截至2024年，全球跨度200米以上的混凝土拱桥有67座，其中刚架混凝土拱桥20座，吊篮悬浇桥31座；跨度300米以上的有20座，其中包括刚架混凝土拱桥。拱桥11座，吊篮5座；跨度大于400米的桥梁有5座，均为刚构混凝土拱桥； 11座跨度大于300米的刚构混凝土拱桥全部在中国，最大跨径达600米。 130年来，国外修建的刚构混凝土拱桥最大跨度为260米。
两座拱桥相继刷新世界纪录
六年来，作者主持修建了世界跨度第一、第二的拱桥，即天峨龙潭大桥和平南三桥，被公认为这两座桥梁的杰出代表类型。
广西平南三桥是一座横跨浔江的钢管混凝土拱桥，计算跨径560米。其建设不仅要成功解决超大跨度问题，而且必须克服北岸桥台建在卵石层上、南岸桥台建在卵石层上的难题。给基岩造成了很大的困难。为此，笔者带领团队进行了优化设计，使北平台基础几乎中心受压，边缘最大应力降低到800 kPa以内。
通过6种卵石灌浆模型试验和3块承重板原位加载试验，确定北岸桥台“地下连续墙+水泥浆加固卵石层”复合地基可满足应力和变形要求。大桥建成后，北桥台在160万千牛的恒荷载压力和20万千牛的水平力作用下，20个月卵石基础沉降量仅为5.2毫米，桥台水平位移为3.5毫米，完全满足设计要求。屏南三桥的建成，为非岩石地区大跨度推力拱桥的建设提供了成功范例，扩大了推力拱桥的应用范围。
屏南三桥在建设过程中，实现了上部结构规模化、装配化、工厂化建设，工厂化率达85%；开发出一种高流动性、自密实、可设计膨胀和收缩的混凝土材料，使管内C70混凝土浇筑致密，与钢管结合紧密。 715天龄的弦管混凝土超声波速度保持在5000米/秒左右，表明管内混凝土不但没有脱粘，而且对钢管壁还保持一定的压力，突破了最阻碍钢管混凝土拱桥发展的重要质量瓶颈；独创的主动力控制方法替代传统的被动刚度控制方法来控制悬吊塔位移，不仅实现了吊装塔的显着瘦身，而且还解决了拱桁节段吊装引起的塔顶位移已从分米级降低至厘米级。值得一提的是，该技术还应用于世界最大双跨拱桥——渝湘复线高速公路双宝大桥，成功解决了跨度4000度的屈曲力差问题。中塔失稳是两跨拱桁悬吊不同步造成的。千牛造成的偏移问题，大大降低了中扣塔的受力；斜拉扣索一次张拉无需调整索，每组扣索一次拆卸的方法的发明，加快了拱桁架悬挂拼装的速度和质量，并节省了大量资金。成本。屏南三桥建设过程中，安全事故为零，质量优良。工期28个月，每平方米造价仅18152元。中国工程院外籍院士邓文忠指出，平南三桥的施工技术代表了钢管混凝土拱桥的最高水平。
天峨龙潭大桥位于广西天峨县，横跨龙潭水库区。水面宽约600米，水深160米。经初步设计比较，混凝土拱桥方案比斜拉桥少建安装费用1.25亿，且可维护100年。费少赢了4.7亿。
大桥全长2488.55米，桥宽24.5米。主桥为顶承式混凝土双肋拱桥，计算跨径600米，高125米。拱肋采用等宽、等高的混凝土箱形断面。拱脚和拱顶高分别为12米和8米，宽6.5米。水平平行设置2根肋条，肋条之间净距10米，设置13根肋条。钢筋混凝土箱形交叉连接；拱肋和交叉连接采用C60混凝土。采用刚性骨架法施工。
包裹在拱肋上的混凝土在垂直方向上分为三环：底板、腹板、顶板。每个环分为8个工作面，进行对称浇注。每次由8台压力泵泵送混凝土，同时浇筑4个工作面，共36次完成。拱肋采用混凝土包裹并浇筑。浇筑过程中，拱桁挠度和应力的观测值与基于线弹性叠加的计算值一致，最大差异分别为2%和9%。
天儿龙潭大桥主孔将使世界混凝土拱桥跨度纪录一次性增加155米，比国外最大跨度混凝土拱桥还大210米。施工风险较高。主要风险源是在8150吨的刚性拱架上分36次浇筑28100立方米、质量超过7万吨的混凝土。任何浇注都不允许失败，时程应力和挠度必须控制在一定范围内。 。
针对这一风险源，笔者团队解决了以下技术问题：一是提出了刚架强度的合理选择准则，既保证了拱门施工时的安全，又控制了用料量。 ;二是通过合理的环区划分和科学设置多个工作面同时浇筑，兼顾结构时程应力抑制和现场施工及时性，实现拱肋包裹混凝土的安全快速施工； 3、正是收缩补偿和工作性能控制的精心设计双管齐下，保证了拱圈包裹的28100立方米混凝土不开裂；四是采取综合结构优化措施，使600米跨混凝土拱桥建成后桥梁受力水平与已建成400米跨混凝土拱桥相同。米级混凝土拱桥保持不变；五是建立了拱肋纵筋优化方法，将纵筋减少至原计划的1/16。该桥历经43个月建设，于2024年2月1日竣工通车，实现安全事故零、质量优良、预算内。大桥建成后，经受住了震中距大桥10公里的4.4级地震考验钢结构梁挠度限值，没有受到任何损坏。
进一步研究发现，屏南三桥和天峨龙潭大桥的实测钢筋和混凝土应力水平较低，双非线性计算的拱圈承载力安全系数较大。因此，初步推断，利用现有的施工方法、材料和设备，将两类拱桥的跨度增加到700米是可行的。 2019年和2023年，中国工程院和国际桥梁与结构工程学会以这两座桥梁为参观对象，在中国南宁举办了两届大跨拱桥建设世界会议。笔者担任会议主席并作主旨报告。大桥建设取得的成绩受到高度评价。与会的国内外专家普遍赞誉，为国家赢得了声誉。
工桥科技 创新永远在路上
新中国成立75年来特别是进入新时代以来，我国拱桥建设取得了快速发展。截至目前，按跨度排名的世界各类型拱桥前10名中，中国占据8席，其中前6名，并拥有拱桥设计和施工的重大发明专利，是名副其实的世界第一拱桥力量。但我们也必须清醒地看到，到2022年底，我国建成的113万座桥梁中，拱桥仅占16%，远未达到力学性能最优的桥型比例。此外，我国在结构计算软件和施工智能化方面与国外还存在差距。
中国著名航天科学家钱学森在《工程与工程科学》一书中指出，工程科学家对工程发展的贡献是在保证工程技术可行性的前提下，努力节省人力和财力。作者团队一直遵循这样的原则：当拱桥经济有优势时，我们就不怕打破世界跨度纪录；当拱桥有经济优势时，我们就不怕打破世界跨度纪录；相反，我们绝不会盲目追求长跨度。中国拱桥工程师将继续秉承这一原则，通过研究和实践加强国际交流，不断提高拱桥质量，降低施工成本，为中国拱桥施工技术造福世界而继续努力。
（作者郑九莲为著名路桥工程专家、中国工程院院士）
