沪昆高铁北盘江桥创造混凝土跨径一次性提高155米
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雄伟的天二龙潭大桥。
广西路桥工程有限公司供图
作者郑嘉琏肖像。
张五常画
2月15日，天峨县发生4.4级地震。 震中天峨龙潭大桥安然无恙。
广西交通集团有限公司供图
近日，位于广西壮族自治区天峨县的天峨龙潭大桥竣工通车。 大桥主跨600米，比国外最大混凝土拱桥跨度还长210米，比2016年建成的沪昆高铁北板还要长。江桥创造的桥梁一度增高155米，创造了新的世界纪录。 不仅如此，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。
本报特邀天峨龙潭大桥总设计师、中国工程院院士郑九莲对大桥的设计和施工，特别是其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。 是南丹至下老高速公路上一座横跨红水河的桥梁。 大桥所在河段，两岸群山巍峨。 水面宽约600米，深约160米。 年最大水位落差可达45米。
天二龙潭大桥长约2500米，宽24.5米，双向四车道。 其中，主桥为上承重刚构混凝土双肋无铰拱桥，计算跨度600米。 拱肋采用等宽、高的混凝土箱形截面。 拱脚和拱顶高分别为12米和8米，宽6.5米。 两根拱肋水平平行设置，中心距16.5米。 拱上柱位置（相距40米）上、下游拱肋之间设置混凝土箱形交叉连接。 全桥共有13个交叉连接。 十字连接的顶面和底面均经过张拉和预应力，以提高拱肋的横向稳定性。 拱肋和交叉连接采用高性能混凝土。 主拱肋采用刚架法建造。
每个拱肋的刚架均为四管钢管混凝土桁架。 桁架上下弦杆采用高强度、韧性、耐腐蚀的钢管。 弦杆之间的腹杆和扁连接杆均采用角钢焊接复合杆，以节点板的形式与弦杆连接。 拱桁弦管架空接头采用螺栓连接，先固定外法兰接头，然后焊接外管。 将自密实微膨胀混凝土倒入管内。
刚架钢结构由两排钢管拱梁组成，总重8150吨。 它是在大桥下游6公里龙滩电站闲置土地上建造制造的，形成48个安装单元，采用桅杆吊吊装到船上。 它被运输到桥位，然后使用斜拉索和紧固技术进行安装。 安装单元最大起重约170吨，承载浇筑外部混凝土的底部模板。 拱肋的外部混凝土按单独的环和段浇注。 采用8台压力泵进行混凝土输送，同时浇筑4个工作面，完成拱桁混凝土浇筑36次； 桥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，以在建的天峨龙潭大桥为背景，中国工程院与世界桥梁与结构工程协会联合举办了世界大跨拱桥建设大会。 笔者作为会议主席做了主旨报告，介绍了天峨龙潭大桥的设计和施工创新，得到了国内外专家的高度评价。 天峨龙潭大桥主跨600米，比国外最大混凝土拱桥跨度还长210米。 比2016年建成的沪昆高铁北盘江大桥创下的混凝土拱桥世界纪录高出155米，相当于同地点的斜拉桥方案相比，它具有更大的刚度、更好的耐用性、几乎零维护，并且比世界混凝土拱桥100年跨度增加的成本少1.25亿。
2020年，项目业主指定笔者负责桥梁设计和施工技术工作。 虽然笔者曾主持或指导过300米跨度和400米跨度刚性骨架混凝土拱桥的施工，但国际上尚无跨度600米混凝土拱桥的施工经验。 蕴藏着巨大的风险。 天峨龙潭大桥于2020年6月开工建设，2024年2月竣工通车。四年来，在施工各方的共同努力下，实现了安全事故零的目标，品质优良，并在成本和工期内。
钢管混凝土的正确选择
拱架强度强
混凝土拱桥的拱圈是通过在刚性钢管拱架上悬挂模板并浇筑混凝土而形成的。 钢管刚性拱架在拱圈施工过程中起到拱门的作用。 因此，坚固的框架是降低拱圈施工风险的首选。 但坚固的框架必然会增加拱架的施工难度，降低拱桥的经济性。 因此，选择强度合适的刚性拱架至关重要。 作者提出骨架强度应以骨架钢桁架质量与外部混凝土质量之比来表征。 已建成的8座刚构混凝土拱桥的比例均在合理范围内。
天峨龙潭大桥拱肋劲拱框架钢材重8150吨，包裹混凝土28100立方米。 两者的质量比为1/8.6，大于现有的刚架混凝土拱桥。 钢架多使用3000吨。 尽管如此，在管内浇筑混凝土和浇筑楼板混凝土阶段，主拱跨中挠度增长值仍占外层混凝土浇筑完成后总挠度值的60%。 当外层混凝土包裹上弦钢管时，相关指标接近允许值。 可见，钢架强度的选择是合适的。
克服浇筑外部混凝土的过程
产生过多的时程应力
刚构混凝土拱桥拱圈的形成是一个自架过程。 首先，架设钢管混凝土刚性拱架； 然后，将外部混凝土浇注在单独的环中。 一圈混凝土浇筑完成强度后，与钢管混凝土刚性拱架、拱桁结合，形成钢-混凝土组合结构，提高了承载能力和刚度。 逐一完成各环的混凝土浇筑，并逐渐增加承载能力和刚度，直至混凝土拱环完成。 但值得注意的是，外部混凝土的质量是刚架钢管拱桁的9-15倍。 因此，浇筑外层混凝土是刚构混凝土拱桥施工中最危险的阶段。 不仅装载重量重，而且装载时间长、载荷过高。 次数很多，每次混凝土浇筑失败，都很难补救。 使用开口环、多个工作面和多次浇注，刚性骨架和已获得强度的外部混凝土将产生随时间变化的时程应力。 这个力有时会超过材料的强度，因此需要依靠合理的开口环和多重作业。 表面同步浇注以控制。 外层混凝土浇注强度后，成为受力体。 钢管混凝土劲拱骨架拱桁埋入混凝土中，增加混凝土拱圈的承载能力和韧性。
天儿龙潭大桥拱肋浇筑混凝土2.81万立方米，分为3个环、8个工作面。 每次同时浇筑4个工作面，共完成拱肋混凝土浇筑36次。 每次浇筑约800立方米混凝土需要7-10小时。 八台泵同时将混凝土输送到四个工作表面。 在此过程中，时间旅行压应力始终处于较低水平。 这种浇筑外层混凝土时程应力控制方法是中国工程师发明的，并在实践中不断完善和发展。
优化覆层混凝土
配合比及施工工艺
刚性骨架混凝土拱桥拱圈混凝土覆层从浇注到硬化过程中受到刚性骨架多个方向的强烈约束，容易产生收缩裂缝。 解决强约束引起的收缩裂缝问题的最佳方法是掺入膨胀材料来抵消收缩。 但应考虑胶凝材料的水化过程，采用适合外层混凝土的膨胀剂，以补偿前期的收缩，防止后期的体积变形。 。 另外，在工作性能控制层面，原材料应均质化，尽可能避免因原材料差异而导致混凝土工作性能不稳定； 在泵送现场，应实时控制混凝土的工作性能，以保证浇筑模具中混凝土的稳定性和均匀性。 。
施工过程中，应控制混凝土内外的温度和湿度，减少温差应力和干缩应力，并严格控制混凝土配制、运输、泵送、成型的温度。 检修阶段采取外涂层保温措施，同时减小内外温差。 另外，对混凝土外表面进行连续喷水、喷雾保湿养护，减少混凝土表面干缩。 通过上述措施，天峨龙潭大桥全部外层混凝土均达到了良好的浇筑质量和抗裂效果，表面光滑、密实、无裂缝。 此外，外包混凝土浇筑的模板经过精心设计、工厂化加工、半机械化安装，创造了国内外包混凝土浇筑周期最短的记录，最大限度地减少了浇筑混凝土块的龄期差异。 可见，天峨龙潭大桥拱肋选用外加剂和浇筑混凝土的经验具有普遍借鉴意义。
基于相关研究和实践
显着减少拱肋纵向配筋
现阶段，刚构混凝土拱桥设计与施工尚无行业规范或国家标准，拱圈纵筋参考同类规范。 天峨龙潭大桥拱肋采用强度等级为C60的高性能混凝土。 国内外同类标准规定全断面最小纵向配筋率为0.6-1%，但刚度计算中是否考虑配筋率尚不明确。 骨骼的纵弦。 我国学者姚国煌等人研究表明，纵筋对刚构混凝土拱环段承载力和韧性的贡献远小于弦管。 因此，计算全断面最小纵筋率时，应考虑刚架纵弦管。 ; 而且，只要考虑刚架纵弦，大多数刚架混凝土拱桥都能满足全断面最小纵向配筋率要求，纵向钢筋可根据结构需要进行配置。
鉴于现有相关理论的不完善，天峨龙潭大桥最终采用了李国豪教授在《桥梁结构稳定性与振动》一书中推荐的公式计算弯矩增加系数并计算截面承载力根据该弯矩增加系数，得出结论：纵向只需要结构钢筋。 通过进一步分析，我们认识到，当混凝土拱肋截面受到小偏心受压时，其截面受力行为与预应力混凝土梁没有什么区别，预应力混凝土梁只配备纵向结构加固。
此外，已通车26年的万县长江大桥、永宁邕江大桥纵向加固水平与天峨龙潭大桥相当。 截至目前，拱圈混凝土未出现横向裂缝。 因此，笔者认为，刚性骨架混凝土拱桥的拱圈若处于小偏心受压状态，刚性骨架弦杆即可满足规范的最低含钢量要求，并可根据结构进行纵向配筋。 同时，普通钢筋应横向加强，必要时应张拉横向预应力，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、悬索桥加劲梁的5-10倍。 它们也是弯曲的，使得安装困难且昂贵。 1898年，奥地利工程师约瑟夫·米兰提出了刚架法。 他首先架设了一个仅比外层混凝土重量1/10甚至更轻的钢拱架，然后在上面挂上模板，浇筑外层混凝土，形成拱圈。 国外曾用过。 采用该技术建造的混凝土拱桥最大跨度为260米。 中国工程师用钢管混凝土拱桁架取代了钢拱架，框架用钢量节省了一半。 他们发明了开环、多工作面、多阶段混凝土浇筑，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座跨度超过300的刚构混凝土拱桥。米，其中天峨龙潭大桥跨度达600米，遥遥领先于世界。 天峨龙潭大桥建成后，经荷载测试，静动力性能良好，顺利通过交接验收，于2月1日正式通车。2月15日，天峨龙潭大桥发生4.4级地震。天峨县. 震中天峨龙潭大桥安然无恙。
30年来，特别是进入新时代以来，我国桥梁建设取得了快速发展，建成了许多世界著名的特大跨度桥梁。 得益于中国大规模建设高铁和高速公路所产生的需求，天峨龙潭大桥也不例外。 天儿龙潭大桥建成通车，使混凝土拱桥跨度迈上新台阶。 它是世界拱桥发展史上的一个里程碑。 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，长期从事拱桥科学研究和工程技术创新，荣获国家科技进步奖3项、毛益生科学技术奖-桥梁奖、李国豪桥梁原创技术奖等；主持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、鲁班奖中国建筑工程奖等）
中国科协科技传播中心与本报合作发起
