讓中華拱橋技術更好造福世界（科技名家筆談）

位於廣西壯族自治區平南縣潯江上的平南三橋是鄭皆連團隊的經典之作，全長一千零三十五米，主橋跨徑五百七十五米。圖爲平南三橋雄姿。

作者鄭皆連肖像畫。 本版畫家 張武昌繪

鄭皆連(左一)在平南三橋加工製造現場。

鄭皆連主持建造的四川瀘州合江長江一橋(二〇一三年建成)是國家高速公路網成渝地區環線的控制性工程，跨徑五百三十米，是當時最大跨徑的鋼管混凝土拱橋。 圖爲鄭皆連在橋前留影。

橋樑歷來是人類跨越江河湖海、高山峽谷的最主要方式。自上世紀50年代，現代橋樑形成了四種基本橋型即樑橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋。它們的結構不同，跨越能力和工程造價、施工方式相異。每一座橋樑建設時選擇什麼樣的橋型，必須根據跨越功能的需要、橋位和周邊環境的特點而定。

在四種橋型中，拱橋的歷史源遠流長，受力最爲合理，承受的垂直力自動轉化爲拱圈軸向壓力，承載能力強、剛度大、耐久性好。中國古代對世界拱橋建造技術貢獻最大，1400年前建成的跨徑37米的趙州橋是已知世界第一座敞肩石拱橋，比歐洲出現類似橋型早500多年，至今還屹立在河北省趙縣的洨河上，被譽爲“世界土木工程里程碑”。

令人遺憾的是，近100年來，中國除在石拱橋方面繼續保持世界領先地位外，在混凝土拱橋、鋼拱橋方面均落後於西方。1898年，奧地利工程師約瑟夫·米蘭發明了勁性骨架混凝土拱橋。1964年，澳大利亞用支架法建成跨徑304.8米的混凝土拱橋-格萊茲維爾大橋。1977年，美國建成跨徑518米鋼桁拱橋-新河谷橋。1980年，南斯拉夫用懸拼法建成跨徑390米的鋼筋混凝土拱橋-KRK橋。直到1982年，中國才建成跨徑156米的丹東沙河口鋼筋混凝土拱橋，跨徑與世界紀錄相距甚遠。

中國工程師奮起直追。1968年，筆者提出了斜拉扣掛鬆索合攏架設拱肋的方法，解決了建拱橋不搭支架的難題，適合跨徑100米左右拱肋懸拼。使用該方法可以大大降低建橋施工費用。據測算，跨徑100米左右的拱橋單位造價可以降到與跨徑30米的簡支樑橋的造價持平。1994年，筆者提出了斜拉扣掛合攏鬆索法，在靜態中完成懸臂樑向拱的轉化，使懸拼拱橋跨徑大幅提高到500米成爲可能。1977年，中國工程師張聯燕提出了拱橋轉體施工工法，爲拱橋無支架施工又提供了新途徑。在筆者看來，無支架施工是傳統拱橋和現代拱橋的分水嶺，上述施工方法和工法的創新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。

得益於施工技術、材料技術、計算技術的進步，拱橋建造風險降低、質量提高，競爭力增強，中國拱橋建造數量迅速增加，跨徑獲得重大突破。近30年來，中國建成了一系列世界最大跨徑拱橋，其中有跨徑146米的山西丹河石拱橋，跨徑550米的上海盧浦鋼箱拱橋，跨徑552米的重慶朝天門鋼桁拱橋，跨徑445米的滬昆高鐵北盤江混凝土拱橋，跨徑430米的拉林鐵路藏木鋼管混凝土拱橋，跨徑560米的廣西平南鋼管混凝土拱橋。它們的建成表明，中國在石拱橋、鋼拱橋、鋼管混凝土拱橋、混凝土拱橋、公路拱橋、鐵路拱橋跨徑均列世界第一，建造技術已挺進到世界前列。

最近30年，中國拱橋發展最快的分枝有兩個：鋼管混凝土拱橋和勁性骨架混凝土拱橋。

鋼管混凝土拱橋的拱桁弦杆採用鋼管混凝土截面，是優良的鋼、混凝土組合結構，其中，管內混凝土提高了鋼管壁的局部穩定性，而鋼管的套箍作用則增強了管內混凝土的韌性和承載能力，也可認爲，鋼管混凝土拱橋是從鋼拱橋發展而來，在受壓的拱圈中，用廉價的混凝土取代了部分鋼，降低了造價，加快了拱圈形成速度，因此多數情況下，鋼管混凝土拱橋必然會替代鋼拱橋。

鋼管混凝土拱橋源於蘇聯，該國於1937年和1939年各建成一座該類拱橋。其施工方法是在預製場將鋼管分段灌注混凝土，在滿堂支架上拼裝成拱，未能使鋼管混凝土拱橋的結構優勢、施工優勢、經濟優勢發揮出來，以致在此後約80年間，蘇聯和之後的俄羅斯再也沒有建設新的該類拱橋。

鋼管混凝土拱橋在中國大放異彩，本土工程師利用自己開發的斜拉扣掛技術、轉體技術架設鋼管拱桁，真空輔助壓力連續灌注管內混凝土，提高鋼管混凝土拱橋質量，降低了造價，縮短了工期，增強了競爭力。30年來，各地建成了鋼管混凝土拱橋近500座，最大跨徑達到560米，創世界各門類拱橋跨徑紀錄且擁有自主知識產權。在中國，鋼管混凝土拱橋建造之多，跨徑發展之快在世界拱橋史上都是罕見的。所以我們有充足理由說，具有工程價值的鋼管混凝土拱橋是中國工程師開發的。

2013年建成通車的合江長江一橋，是四川瀘渝高速公路上的一座鋼管混凝土拱橋，跨徑530米，爲當時國內外各類拱橋跨徑之最，也是第一座跨徑超過500米的鋼管混凝土拱橋。該橋在拱桁、橋道樑施工中開展大型化、裝配化、工廠化建造試點，拱桁採用纜索吊運，斜拉扣掛懸拼，合攏後鬆索工法安裝，開發了真空輔助壓力多級連續灌注管內混凝土工藝及設備，歷時三年成功建成，竣工造價2.6億元人民幣，獲第36屆國際橋樑大會喬治·理查德森獎、國家科技進步二等獎、中國土木工程詹天佑獎、中國建設工程魯班獎。

2021年建成通車的合江長江三橋，是一座城市鋼管混凝土系杆拱橋，跨徑507米，爲同類橋跨徑世界之最。該型拱橋比鋼拱橋拱圈重，系杆用量增大，但是拱圈用鋼量減少一半，其經濟優勢依然存在。經多方案比較，合江長江三橋最終採用了鋼管混凝土系杆拱橋方案。

2020年建成的廣西平南三橋，是一座跨越潯江的鋼管混凝土拱橋，計算跨徑560米，爲全球拱橋跨徑之最。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臺建在卵石層上、南岸橋臺建在基岩導致的巨大困難。爲此，筆者帶領團隊經過計算分析和原位試驗，反覆論證後，推薦北岸橋臺採用“地下連續牆+注水泥漿加固的卵石層”複合基礎，取得了在16萬噸恆載重壓下，20個月的卵石地基沉降僅爲5.2毫米的世界工程奇蹟，完全滿足設計要求，爲非巖地區建造大跨推力拱橋提供了一個成功範例。

平南三橋還實現了大型化、裝配化、工廠化建造，上部結構工廠製造率達85%，整個上部結構施工實現了無模板化。平南三橋拱桁施工中，一側拱桁分22段，最大節段質量214噸，長、寬、高分別爲37.1米、4.2米、13.0米，採用跨度601米、吊重220噸的纜索起重機吊運。平南三橋建設中，中國工程師還研製了大流動性、自密實、膨脹收縮可設計的混凝土材料，使管內C70混凝土灌注密實與鋼管結合緊密，突破了鋼管混凝土拱橋發展最重要的質量瓶頸；獨創以力主動控制代替傳統剛度被動控制吊扣塔位移，不但實現了吊扣塔瘦身，塔頂位移從分米級下降到釐米級；獨創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質量。

在施工中，技術團隊還創新大型橋樑施工管理範式，打造信息化、規範化施工典範工程。把質量、安全放在首位，堅持文明施工，環境保護。建立施工監控指揮中心和混凝土集控中心，集成BIM技術和其他信息化技術，輔以無人機、鷹眼監控系統、深基坑安全監測系統、大體積混凝土溫控系統、塔機安全監控管理系統等十餘個智能施工管理系統，實現了對工程質量、安全、進度、費用全天候、多維度的實時監控。在施工監控指揮中心就能完成所有數據採集和生產調度，平南三橋的施工管理水平受到國內外同行的高度讚揚。

2019年12月8日，以平南三橋爲背景成功舉辦世界大跨度拱橋建設技術大會。在會上，世界拱橋大會永久性學術委員會主席布魯諾·布利斯傑拉說：“就平南三橋而言，施工現場整潔且建造技術和管理能力在世界上都是一流的。”

平南三橋已經成爲橋樑界的“世界明星”，不僅質量優秀，而且建設週期短至28個月，工程造價低(按橋面面積計算，每平方米造價僅爲18152元)。平南三橋的成功進一步增強了中國工程師的信心，根據初步論證，我們認爲，建造700米級的鋼管混凝土拱橋是現實可行的。

勁性骨架混凝土拱橋是1898年奧地利工程師約瑟夫·米蘭發明的。120年來，國外用此法建成的該類拱橋最大跨徑240米。最近30年間，我國把勁性骨架混凝土拱橋的跨徑提高到445米。

中國工程師對勁性骨架混凝土拱橋的貢獻是多方面的，其中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、多工作面澆注外包混凝土和斜拉索調載技術，能有效地控制瞬時應力及降低永存應力，從而提高了安全性、經濟性，推動其高速發展。

1996年建成的廣西邕寧邕江大橋是跨徑312米的勁性骨架混凝土肋拱橋，跨徑居當時同類橋世界第一，拱肋分3環澆築，用3組斜拉索調載，實現了底板混凝土連續澆注，至今也是世界唯一實現一環混凝土連續澆注的勁性骨架混凝土肋拱橋。技術攻關團隊憑藉開發的拱桁懸拼技術和斜拉索調載技術世界領先，摘得國家科技進步二等獎。

2016年建成通車的跨徑445米的滬昆高鐵北盤江勁性骨架混凝土拱橋，是世界最大跨徑的混凝土拱橋。跨徑416米的雲桂高鐵南盤江勁性骨架混凝土拱橋，跨徑居客、貨共線鐵路混凝土拱橋之首。兩橋在勁性骨架鋼材重量僅爲外包混凝土重量的1/15情況下，通過系列調載技術，保證了外包混凝土澆注安全，降低了造價。目前，中國已建成9座跨徑超過300米的勁性骨架混凝土拱橋，正在建造跨徑600米的廣西天峨龍灘勁性骨架混凝土拱橋，預計於2023年建成。

多年來，筆者帶領大跨拱橋關鍵技術研究團隊矢志不渝推動拱橋科研和工程技術創新，取得了系列重大成就，贏得了諸如全國創新爭先獎牌等殊榮。巨龍飛架，天塹變通途。讓我們無比自豪的是，見證並助力一座座雄偉的中華拱橋飛架祖國萬里錦繡河山，不僅成爲中華民族走向富強的標誌性符號，而且爲國際橋樑科技進步、提升世界各國交通基礎設施建設水平貢獻了中國智慧。中國拱橋已經贏得世界聲譽，無論是建造技術還是數量，都已挺進到世界前列。

科技進步永無止境，科技變革一日千里。中國工程師要奮勇攀登、風雨兼程，把拱橋科技推向新的、更高境界，繼續書寫中華千年建橋傳奇，打造更多當代橋樑經典，更好造福世界。

(作者爲中國工程院院士，廣西大學土木建築工程學院教授，首創多項拱橋施工工藝，主持建造了多項創世界紀錄的拱橋工程。)

本版攜手科學出版社推出