品質與風險：鋼管混凝土拱橋

文/中國工程院院士、廣西大學教授 鄭皆連

中國的拱橋建設比例下降

公元605年，采用支架施工法的趙州橋建成，創造了12項世界歷史上的土木工程里程碑。

1192年建成的盧溝橋，曾經通行了載重400噸的平板車。

1968年，廣西靈山三里江橋建成，它是國內第一座修拱橋不打拱架的橋，耗資6萬元，至今整整50年，從來都沒有維修過。

晉（城）焦（作）高速公路丹河大橋于2000年建成，全長413米，主跨146米，高81米，寬24.2米，為石拱橋世界之最，集實用性和藝術性于一體，載入吉尼斯世界紀錄。 丹河大橋拱架造價4000萬元，相當于現在造一個180米鋼筋混凝土拱橋的價格。

2015年，滬昆高速鐵路北盤江特大橋合龍，主橋跨度445米，創造了世界鋼筋混凝土拱橋最大跨度橋梁、中國鐵路橋最大跨度橋梁兩項紀錄。

公元605年建成的趙州橋，至今已有1400多年歷史。

1192年建成的盧溝橋，在13世紀就已聞名世界。

1968年建成的廣西靈山三里江橋

以上是拱橋在國內的代表工程。拱橋具有合理、耐久、超載、極限、超越五大特點，飽含中國文化，極具工程意義。拱橋的意義不僅在國內，國外亦然。截至目前英國共有8萬座鐵路橋梁，其中4萬座是拱橋，其耐久性平均都超過了130年。2015年，德國修建了一條從愛爾福特至紐倫堡的高速鐵路，其中，圖林根森林段是混凝土拱橋。這條鐵路于2016年通車，總里程107公里，設計時速高達300公里，全線共有10座拱橋，跨徑從90米到270米不等，平均每4公里一座拱橋。遺憾的是，近年來，中國拱橋的建設比例逐年下降。

鋼管混凝土橋的品質

鋼管混凝土拱橋是指鋼拱橋拱圈中一部分鋼被混凝土代替了，以混代鋼部分只有鋼價的1/27，拱圈架設重量只有鋼拱的1/2，所以架設速度快、風險低、造價低，地基能提供有效抗力時，代替鋼拱是必然趨勢，在軟弱地基建系桿拱橋，也值得比較。筆者在平原地區比較了一下鋼管拱橋和鋼拱橋的重量和成本。據計算，跨徑500米的鋼管拱橋比鋼拱橋重8000噸，其對地基具有的承載能力是相當的。但是，鋼管拱橋在增加了8000噸的重量后，仍然占據經濟優勢。

合江長江一橋是瀘渝高速公路上一座雙向四車道鋼管混凝土拱橋，于2013年通車，竣工驗收優秀，造價2.6億元，比同期建成的420米跨徑的合江長江二橋（PC梁斜拉橋）節省1.1億元，工廠化率85%，價低質高。在施工現場，僅需完成1.2萬噸鋼結構安裝、管內混凝土及橋道梁頂板混凝土澆注，上部構造施工無需模板。一對吊桿破壞后不落梁，不斷交，還可在交通管制下更換吊桿。

英國鐵路橋梁拱橋占比及使用年限

2013年建成的合江長江一橋

藏木雅魯藏布江橋

合江公路橋是合江縣城的一座六車道鋼管混凝土拱橋，造價3.1億元。該橋為飛燕式系桿拱橋，經比較仍然比鋼拱橋、斜拉橋、懸索橋造價低，但比鋼拱橋重20%。此橋的建成說明鋼管混凝土系桿拱橋在地基不好的地區仍有競爭力。

藏木雅魯藏布江橋是拉林鐵路上一座雙線鐵路鋼管混凝土拱橋，跨徑世界第一，造價5.07億元，目前已合龍拱桁，預計2019年通車。該橋采用耐候鋼，弦管直徑160厘米至180厘米，一根管內混凝土為1100立方米，9級抗震。這座橋的桿單元輕，適合山區運輸。該橋建成后，川藏鐵路將會大量采用同類橋型。

廣西平南三橋

廣西平南三橋一座雙向六車道城市鋼管混凝土拱橋，跨徑575米，造價5.73億元。較懸索橋、斜拉橋的建安費分別低9000萬元、3000萬元。該橋北臺覆蓋層32米，基礎置于卵石層上，于2018年5月開工。目前，直徑60米的地連墻及地基卵石層注漿已完工，預計2019年12月安裝拱桁50%。該橋還將為明年在南寧召開的，由中國工程院、世界橋梁與結構工程學會等組織的世界拱橋大會獻禮。

鋼管混凝土拱橋自身的特質，決定了它的高品質不是其他橋能夠代替的。

鋼管混凝土橋的風險

2010年，結合合江一橋的設計、建設，交通運輸部組織制作了全行業第一個橋梁風險評估表，其中列舉了21項“風險事件”，劃分了四個“風險等級”。比如，焊接缺陷嚴重就屬于四級風險，風險等級最高。

安裝也存在風險。在談安裝之前，先談一下設計。設計是一項工程的基礎，沒有好的設計絕對沒有好的施工。享有“世界第一跨”拱橋之稱的荔玉高速公路平南三橋，在前期發現其施工費約占結構費的20%至30%，如何降低施工費成為提升競爭力的關鍵問題。于是，平南三橋在設計環節實現了六大創新。

全國交通系統第一座開展風險評估的橋——合江長江一橋評估表

組圖：平南三橋首次研發的組合式主拱橫撐和內橫隔的新型構造

首次研發了基于懸拼單元的新型主拱結構，單元重量減輕33%，高空接頭焊接量減少33%，降低涂裝損傷，一天就可以安裝一段，施工速度提升了兩三倍，降低了整體的風險和費用。

首次研發了組合式主拱橫撐和內橫隔的新型構造，橫撐與主拱連接處的振動應力峰值降低20%，減少材料用量23%，減少現場焊接接頭58%。

首次提出真空輔助灌注技術。大型鋼管混凝土結構管內，混凝土真空輔助灌注方法及灌注系統獲得了中國專利優秀獎；發布國家級工法——真空輔助法灌注拱肋鋼管混凝土施工工法等。

平南三橋的團隊還研發了新型自密實、無收縮混凝土材料，在應用中實現了混凝土長時間連續灌注密實和管內混凝土長齡期無收縮。

動態聚羧酸水泥分散劑的制備方法及其應用獲得了中國專利優秀獎。

還首次提出了“過程最優、結果可控”的斜拉扣掛一次張拉線形控制方法，實現了安裝過程不調索、成拱后一次張拉。同時，研發了智能糾偏技術和裝備。

有關吊裝環節的風險控制也取得了一些實質性進展。在建設川藏鐵路拉薩至林芝段LLZQ-4標段藏木雅魯藏布江雙線特大橋的過程中，使用了北斗智能控制技術，將塔尖的吊裝誤差控制在2厘米以內。由于藏木橋橋址兩岸地形受限，纜索吊機采用不對稱、不等邊跨、不等高塔架、同一側塔架使用高低腿的布置形式。纜索吊機布置跨度為165米+610米+89米，設計跨度610米，設計控制垂度為L/12，設計額定起重量為250噸，采用2組125噸纜索吊進行抬吊，每組纜吊有兩個吊鉤，每個吊鉤設計為100噸。

關于拱橋的幾點思考

鋼管混凝土拱橋必然代替鋼拱橋，通過真空和收縮混凝土，主動控制降低風險，造價低、用鋼量少、耐久性高、鋼度大。現在，鋼管混凝土拱橋的跨徑已經實現575米，接下來的研究目標是達到700米，預計實現的時間不超過5年，實現以后，拱橋的造價將降低幾個億。

通過創新，鋼管混凝土拱橋的風險是可控的。廣西路橋工程集團修了70多座這樣的橋，無一失誤。所以，拱橋是收益極為合理的橋，應該多修這樣橋。貴州、四川、西藏等山區更應該大量修建拱橋。

拱橋設計施工比較費力，所以，建議修改設計收費標準，設計是按建安費的比例來安排的，選擇拱橋將整個造價降下來，但設計費卻降低了，顯然是不合理的。