品質(zhì)與風(fēng)險：鋼管混凝土拱橋

文/中國工程院院士、廣西大學(xué)教授 鄭皆連

中國的拱橋建設(shè)比例下降

公元605年，采用支架施工法的趙州橋建成，創(chuàng)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(jīng)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(nèi)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(shù)性于一體，載入吉尼斯世界紀(jì)錄。 丹河大橋拱架造價4000萬元，相當(dāng)于現(xiàn)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(chuàng)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(jì)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(jì)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(nèi)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(nèi)，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(shè)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(shè)比例逐年下降。

鋼管混凝土橋的品質(zhì)

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(shè)重量只有鋼拱的1/2，所以架設(shè)速度快、風(fēng)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(qū)比較了一下鋼管拱橋和鋼拱橋的重量和成本。據(jù)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(dāng)?shù)摹５?，鋼管拱橋在增加?000噸的重量后，仍然占據(jù)經(jīng)濟優(yōu)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(yōu)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(jié)省1.1億元，工廠化率85%，價低質(zhì)高。在施工現(xiàn)場，僅需完成1.2萬噸鋼結(jié)構(gòu)安裝、管內(nèi)混凝土及橋道梁頂板混凝土澆注，上部構(gòu)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(jīng)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(qū)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(yù)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(nèi)混凝土為1100立方米，9級抗震。這座橋的桿單元輕，適合山區(qū)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(chǔ)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(yù)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(jié)構(gòu)工程學(xué)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(zhì)，決定了它的高品質(zhì)不是其他橋能夠代替的。

鋼管混凝土橋的風(fēng)險

2010年，結(jié)合合江一橋的設(shè)計、建設(shè)，交通運輸部組織制作了全行業(yè)第一個橋梁風(fēng)險評估表，其中列舉了21項“風(fēng)險事件”，劃分了四個“風(fēng)險等級”。比如，焊接缺陷嚴(yán)重就屬于四級風(fēng)險，風(fēng)險等級最高。

安裝也存在風(fēng)險。在談安裝之前，先談一下設(shè)計。設(shè)計是一項工程的基礎(chǔ)，沒有好的設(shè)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(fā)現(xiàn)其施工費約占結(jié)構(gòu)費的20%至30%，如何降低施工費成為提升競爭力的關(guān)鍵問題。于是，平南三橋在設(shè)計環(huán)節(jié)實現(xiàn)了六大創(chuàng)新。

全國交通系統(tǒng)第一座開展風(fēng)險評估的橋——合江長江一橋評估表

組圖：平南三橋首次研發(fā)的組合式主拱橫撐和內(nèi)橫隔的新型構(gòu)造

首次研發(fā)了基于懸拼單元的新型主拱結(jié)構(gòu)，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(fēng)險和費用。

首次研發(fā)了組合式主拱橫撐和內(nèi)橫隔的新型構(gòu)造，橫撐與主拱連接處的振動應(yīng)力峰值降低20%，減少材料用量23%，減少現(xiàn)場焊接接頭58%。

首次提出真空輔助灌注技術(shù)。大型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)管內(nèi)，混凝土真空輔助灌注方法及灌注系統(tǒng)獲得了中國專利優(yōu)秀獎；發(fā)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(fā)了新型自密實、無收縮混凝土材料，在應(yīng)用中實現(xiàn)了混凝土長時間連續(xù)灌注密實和管內(nèi)混凝土長齡期無收縮。

動態(tài)聚羧酸水泥分散劑的制備方法及其應(yīng)用獲得了中國專利優(yōu)秀獎。

還首次提出了“過程最優(yōu)、結(jié)果可控”的斜拉扣掛一次張拉線形控制方法，實現(xiàn)了安裝過程不調(diào)索、成拱后一次張拉。同時，研發(fā)了智能糾偏技術(shù)和裝備。

有關(guān)吊裝環(huán)節(jié)的風(fēng)險控制也取得了一些實質(zhì)性進展。在建設(shè)川藏鐵路拉薩至林芝段LLZQ-4標(biāo)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(shù)，將塔尖的吊裝誤差控制在2厘米以內(nèi)。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(cè)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(shè)計跨度610米，設(shè)計控制垂度為L/12，設(shè)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(shè)計為100噸。

關(guān)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(fēng)險，造價低、用鋼量少、耐久性高、鋼度大?，F(xiàn)在，鋼管混凝土拱橋的跨徑已經(jīng)實現(xiàn)575米，接下來的研究目標(biāo)是達到700米，預(yù)計實現(xiàn)的時間不超過5年，實現(xiàn)以后，拱橋的造價將降低幾個億。

通過創(chuàng)新，鋼管混凝土拱橋的風(fēng)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(yīng)該多修這樣橋。貴州、四川、西藏等山區(qū)更應(yīng)該大量修建拱橋。

拱橋設(shè)計施工比較費力，所以，建議修改設(shè)計收費標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計是按建安費的比例來安排的，選擇拱橋?qū)⒄麄€造價降下來，但設(shè)計費卻降低了，顯然是不合理的。