鄭皆連
作者鄭皆連肖像畫。張武昌繪
由鄭皆連指導建造的安徽黃山太平湖大橋跨徑達330公尺。圖為鄭皆連在施工現場。
二〇二四年二月，由鄭皆連主持設計的廣西天峨龍灘特大橋建成通車，其主橋計算跨徑達六百米。
各類拱橋跨徑世界第一
橋梁是跨越河流、山谷等障礙的人工構築物，拱橋是以受壓的拱圈作為主要承重結構的橋梁，具有受力合理、超載能力強、剛度大、耐久性好等優點，是橋梁最主要的分支。
在古代，由於缺乏抗拉效能好的建築材料，以受壓為主的拱橋在所有橋型中有利競爭明顯。中國拱橋建造歷史悠久，公元605年建成跨徑37.02公尺的趙州橋，在全世界範圍內首次發明了敞肩拱，減輕了上部結構自重，改善了拱腳受力，為拱橋增大跨徑找到了一條正確路徑。公元1192年建成的盧溝橋為十一孔不等跨連續圓弧石拱橋，曾透過400噸平板車，證明了拱橋優越的耐久性和超載能力。
在當代，梁橋、斜拉橋和懸索橋等橋型迅猛發展，在一定程度上擠占了拱橋的套用空間。在此背景下，力學效能優良的拱橋要獲得持續發展，必須要解決兩大問題：其一，降低施工風險；其二，降低拱肋安裝費。
50多年來，筆者團隊圍繞這兩個難題進行了刻苦攻關和大量實踐，取得了系列成果。1968年，筆者提出了斜拉扣掛松索合攏架設拱肋的方法，在國內外首次實作了建拱橋不搭支架，適合跨徑100公尺內拱肋懸拼，且可以大幅降低施工費用。上世紀七八十年代，廣西采用該方法建成40余座跨徑100公尺左右的預制懸拼鋼筋混凝土箱型拱橋，單位造價與跨徑30公尺的預應力混凝土簡支梁橋持平。
1994年，在建設當時世界最大跨徑中承式混凝土肋拱橋——廣西邕寧邕江橋時，筆者提出了斜拉扣掛合攏後松索法，在靜態中完成拱桁節段從懸掛結構向拱的體系轉換，大大提高了節段懸拼過程的安全性，使懸拼拱橋跨徑提高到500公尺成為可能。在此期間，1977年，中國工程師張聯燕提出了拱橋轉體施工工法，為拱橋無支架施工又提供了新途徑。2008年，中國工程師用斜拉索、掛籃懸澆工法首次建成了西攀高速跨徑150公尺鋼筋混凝土北沙溝拱橋。上述無支架施工方法的創立，使中國拱橋建設完成了從傳統向現代的跨越，在中國拱橋建設史上具有劃時代意義。由於拱橋事故多數由支架變形和垮塌導致的，拱橋無支架施工大大降低了施工風險。
無支架施工技術的發展再加上材料、裝備的進步，使中國拱橋建造數量迅速增加，跨徑獲得重大突破。特別是最近30年，伴隨著大量建設高速公路、高速鐵路帶來的需求，中國建成了一系列世界最大跨徑拱橋，其中有跨徑146公尺的山西丹河石拱橋，跨徑550公尺的上海盧浦鋼箱拱橋，跨徑552公尺的重慶朝天門鋼桁拱橋，跨徑445公尺的滬昆高鐵北盤江混凝土拱橋，跨徑430公尺的拉林鐵路藏木鋼管混凝土拱橋，跨徑560公尺的廣西平南鋼管混凝土拱橋，跨徑600公尺的廣西天峨龍灘混凝土拱橋。這些標誌著中國各類拱橋跨徑均列世界第一，躋身橋梁強國之列。
兩類拱橋發展最快
最近30年，中國拱橋發展最快的分支有兩個：鋼管混凝土拱橋和混凝土拱橋。
鋼管混凝土拱橋是以鋼管混凝土為拱圈主要受力構件的拱橋，起源於蘇聯。該國於1937年和1939年各建成一座，但施工方法是在預制場將鋼管分段灌註混凝土，在滿堂支架上拼裝成拱，未能發揮鋼管混凝土拱橋的結構優勢、施工優勢，從而喪失了經濟優勢，以致在此後的80余年間，世界再沒有用此法建設新的該類拱橋。幸運的是，由於具有良好的技術儲備和巨大的工程需求，從上世紀90年代起，鋼管混凝土拱橋在中國大放異彩。中國工程師利用自己開發的斜拉扣掛和轉體技術架設鋼管拱桁，用自己研發的真空輔助多級壓力連續泵送技術灌註膨脹與收縮可控制的管內混凝土，提高了鋼管混凝土拱橋品質，降低了造價，縮短了工期，增強了競爭力。30年來，中國建成了鋼管混凝土拱橋近500座，其中跨徑大於300公尺的22座，最大跨徑達560公尺。實踐證明，鋼管混凝土拱橋從跨徑100公尺至近600公尺均有較大競爭力。與之相比，國外建成的鋼管混凝土拱橋最大跨徑僅240公尺。
混凝土拱橋剛度大、耐久性好、結構材料費用低，但拱肋品質是同跨徑斜拉橋、懸索橋加勁梁品質的5-10倍，且架設全靠大型臨時設施，施工風險大，費用高。對此，1898年，奧地利工程師約瑟夫·米蘭發明了施工混凝土拱肋的勁性骨架法，即先架設品質約為拱肋品質1/10的鋼拱骨架，然後在其上掛模澆築拱肋混凝土，促進了世界範圍內混凝土拱橋的發展。
中國工程師對推動勁性骨架混凝土拱橋建造技術進步，作出了多方面重要貢獻，包括用鋼管混凝土拱桁代替鋼拱桁作勁性骨架，用鋼量降低50%；開發了分環、多工作面澆築外包混凝土和斜拉索調載技術，能有效地控制拱肋施工時程應力及降低永存應力；從而大幅提高了混凝土拱橋的安全性、經濟性，推動其高速發展。截至2024年，全世界跨徑大於200公尺的混凝土拱橋有67座，其中勁性骨架混凝土拱橋20座，掛籃懸澆31座；跨徑大於300公尺有20座，其中勁性骨架混凝土拱橋11座，掛籃懸澆5座；跨徑大於400公尺有5座，全是勁性骨架混凝土拱橋；且所有11座跨徑大於300公尺的勁性骨架混凝土拱橋都在中國，最大跨徑達600公尺。而130年來，國外建成勁性骨架混凝土拱橋最大跨徑260公尺。
兩座拱橋接連重新整理世界紀錄
近6年來，筆者主持建成了跨徑排名世界第一、第二的拱橋，即天峨龍灘大橋、平南三橋，被公認為是這兩種橋型的傑出代表。
廣西平南三橋，是一座跨越潯江的鋼管混凝土拱橋，計算跨徑560公尺，其建設不僅要成功解決超大跨徑難題，而且還必須克服北岸橋台建在卵石層上、南岸橋台建在基巖上導致的巨大困難。為此，筆者帶領團隊最佳化設計，使北台基礎幾乎處於中心受壓，邊緣最大應力降到800千帕內。
經對6個卵石註漿模型實驗及3塊承載板原位載入實驗判斷，北岸橋台采用「地下連續墻+註水泥漿加固的卵石層」復合基礎能滿足應力和變形需求，大橋建成後北台在160萬千牛恒載重壓下、20萬千牛水平力作用下，20個月的卵石地基沈降僅為5.2公釐，橋台水平位移3.5公釐，完全滿足設計要求。平南三橋的建成，為在非巖地區建造大跨徑推力拱橋提供了一個成功範例，擴大了推力拱橋適用範圍。
建造過程中，平南三橋實作了上部結構大型化、裝配化、工廠化施工，工廠化率達85%；研制了大流動性、自密實、膨脹收縮可設計的混凝土材料，使管內C70混凝土灌註密實與鋼管結合緊密，715天齡期弦管混凝土超音波速保持在5000公尺/秒左右，表明管內混凝土不僅沒脫粘，還對鋼管壁保持一定的壓力，突破了阻礙鋼管混凝土拱橋發展最重要的品質瓶頸；獨創以力主動控制方法代替傳統剛度被動控制方法控制吊扣塔位移，不但實作了吊扣塔大幅瘦身，拱桁節段吊運過程中造成的塔頂位移從分米級下降到厘米級。值得一提的是，該技術還套用於世界上最大跨徑連拱橋渝湘復線高速公路雙堡特大橋，成功解決了其中間扣塔由於兩跨拱桁不同步懸拼引起扣索力相差4000千牛導致的偏位問題，大大減小了中間扣塔受力；發明斜拉扣索一次張拉不調索、每組扣索一次拆除工法，加快了拱桁懸拼速度和品質，節省了費用。平南三橋建設期間，零安全事故，品質全優，工期28個月，每平方米造價僅為18152元。中國工程院外籍院士鄧文中指出，平南三橋建造技術代表鋼管混凝土拱橋最高水平。
天峨龍灘大橋位於廣西天峨縣境內，跨越龍灘水庫庫區，水面寬約600公尺，水深160公尺，經初步設計比較，混凝土拱橋方案較斜拉橋建安費少1.25億，100年維護費少4.7億而勝出。
大橋全長2488.55公尺，橋寬24.5公尺，其中主橋為計算跨徑600公尺上承式混凝土雙肋拱橋，矢高125公尺。拱肋采用等寬變高的混凝土箱型截面，拱腳、拱頂箱高分別為12公尺、8公尺，寬度均為6.5公尺；橫向平行設定兩肋，肋間凈距10公尺，設定13道鋼筋混凝土箱型橫聯；拱肋及橫聯均采用C60混凝土。采用勁性骨架法施工。
拱肋外包混凝土豎向分為底板、腹板、頂板三環，每環分8個工作面對稱澆築，每次由8台壓力泵執行混凝土泵送，同步澆築4個工作面，36次完成拱肋外包混凝土澆築，澆築過程中，拱桁撓度、應力觀測值與按線彈性疊加計算值吻合，最大差值分別為2%、9%。
天峨龍灘特大橋主孔將世界混凝土拱橋跨徑世界紀錄一次性提高155公尺，比國外最大跨徑混凝土拱橋大210公尺，建造風險大。主要風險源是在8150噸勁性拱骨架上分36次澆築品質7萬多噸的2.81萬立方米外包混凝土，任何一次澆築都不允許失敗，且時程應力和撓度必須控制在限值之內。
圍繞這個風險源，筆者團隊解決好了以下技術難題：一是提出了勁性骨架強勁度的合理選擇準則，既確保了施工時作為拱架的安全又控制了材料用量；二是透過合理分環和科學設定多工作面同時澆築，兼顧了結構時程應力抑制和現場施工時效，實作了拱肋外包混凝土的安全、快速施工；三是收縮補償精細設計和工作效能調控雙管齊下，實作了2.81萬立方米拱圈外包混凝土不開裂；四是采取綜合結構最佳化措施，使跨徑600公尺混凝土拱橋成橋應力水平與已建成的跨徑400公尺級混凝土拱橋持平；五是建立了拱肋縱向配筋最佳化方法，使縱向配筋減少到原方案的1/16。經43個月施工，大橋於2024年2月1日建成通車，實作了零安全事故，品質全優，不超概算。建成後，大橋還經受了距橋位10千米震央4.4級地震的考驗，安然無恙。
進一步研究發現，平南三橋與天峨龍灘特大橋的實測鋼、混凝土應力水平較低，雙非線性計算的拱圈承載能力安全系數較大。因此，初步推斷，用現有工法、材料、裝備把兩類拱橋跨徑增大到700公尺是可行的。2019年、2023年中國工程院和國際橋梁及結構工程協會以這兩橋為參觀物件，在中國南寧召開了兩次世界大跨徑拱橋建造大會，筆者擔任大會主席，作主旨報告，大橋建設成就受到與會國內外專家廣泛稱贊，為國家贏得了聲譽。
拱橋科創永遠在路上
新中國成立75年來，特別是進入新時代以來，中國拱橋建設獲得高速發展，到目前為止，世界所有類別拱橋按跨徑排序前10名中，中國占8位元，還囊括了前6位，且擁有拱橋設計、施工主要發明專利，是名副其實的世界拱橋第一強國。但我們也必須清醒地意識到，至2022年底止，中國建成的113萬座橋梁中，拱橋僅占16%，遠遠未達到這種力學效能最優橋型應占比例。此外，中國在結構計算軟體、施工智慧化方面與國外還存在差距。
中國著名航天科學家錢學森在其所著的【工程和工程科學】中指出，工程科學家對工程發展的貢獻就是在確保工程技術可行前提下，努力做到人力和財力的節省。筆者團隊始終遵循這一原則：拱橋經濟占優時，我們不畏懼突破世界跨徑紀錄；反之我們絕不盲目追求大跨徑。中國拱橋工程師將繼續秉承這一原則，透過研究與實踐，加強國際交流，不斷提高拱橋品質，降低造價，繼續為中國拱橋建造技術造福世界而奮鬥。
(作者鄭皆連為著名路橋工程專家、中國工程院院士)
中國科協科學技術傳播中心、陳家庚科學獎基金會與本報合作推出
