钢管混凝土拱桥 500米的跨越

原标题:【专题报道】500米跨度——钢管混凝土拱桥的突破

2017年11月，通车4年的泸州合江长江一桥在竣工验收中被评为优秀工程。这座世界上跨度最大的钢管混凝土拱桥超越了跨度460米的巫山长江大桥，拥有世界上最大的单拱跨度，被誉为“世界第一跨”。合江长江一桥克服了主跨530米施工过程中的一系列难题:创新真空大型钢管混凝土结构管内辅助浇筑混凝土；500米钢管混凝土拱桥高精度制造与安装控制技术:超大跨度钢管混凝土拱桥设计技术:长寿命吊杆索系形成了500米钢管混凝土拱桥设计、制造、施工的核心技术，降低了施工风险和成本，保证了世界上最大跨度钢管混凝土拱桥的安全和高质量施工，具有里程碑意义。由于钢管混凝土拱可以作为混凝土拱桥的刚性骨架，钢管拱桥的跨径增大可以直接提高刚度更大的混凝土拱桥的跨越能力，使其在高速铁路建设中发挥更大的作用，进一步凸显了拱桥在现代桥梁中的独特优势。

硬攻:突破500米

1990年，我国建成了第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥，桥梁数量每年都在快速增加。“钢管混凝土拱桥起源于上世纪30年代的前苏联。两座桥建成后，由于未能充分发挥结构和施工优势，不再修建。我国自旺苍东河大桥诞生以来，已建成钢管混凝土拱桥400多座，跨径115米，最大跨径530米。跨度575米的广西平南三桥正准备开工建设，同时初步论证了建设跨度700米钢管混凝土拱桥的可行性。在这个过程中，中国工程师还首创了一系列设计和施工技术。如用斜撑吊扭实现拱肋架设的技术、真空辅助连续管内灌注混凝土的技术、无收缩混凝土材料等。，提高了钢管混凝土拱桥的施工质量，降低了成本和施工风险。我国工程师在研究钢管混凝土拱桥的受力机理和施工方法方面取得了许多创造性成果，推动了我国钢管混凝土拱桥的建设。同时也促进了钢管混凝土作为刚性骨架的混凝土拱桥跨度的突破。世界上有3座跨度超过400米的混凝土拱桥，都是我国建造的刚架混凝土拱桥。其中两座仅在2016年建成，其中跨度445米的沪昆高铁北盘江大桥打破了万县长江大桥混凝土拱桥跨度19年的世界纪录，创造了新的世界纪录。因此，钢管混凝土拱桥是中国的独创。”作为中国工程院院士，郑俊莲提到了自己潜心研究了几十年的钢管混凝土拱桥施工技术。

众所周知，钢管混凝土拱桥在我国应用广泛，施工技术一直处于世界领先水平。但由于施工难度大、风险高，跨度增长困难且缓慢。从2005年的460米到2013年的530米，8年间只增加了70米；然而，斜拉桥的跨度仅用三年时间就增长了68%，从2005年的648米增加到2008年的1088米。可见问题很多，钢管拱跨度增大后解决相当困难。特别是从400米突破到500米后，原有的设计方法、施工工艺、复合材料、吊杆缆索等。都存在各种瓶颈问题，需要大量系统深入的研究。

说到拱桥，大家都知道，最大的优点就是刚度高，施工方便，造价低，耐久性强。对此，郑院士告诉记者:“目前还没有哪种桥型在耐久性上优于拱桥。拱桥属于偏心受压，不存在疲劳问题，但其最大的问题是施工架设风险高。而我们研究的目的就是为了解决风险问题，只要找到规律，风险是可以解决的。比如广西路桥集团建了70多座拱桥，没有一座因为发现规律而失败。风险降低了，经济就会出来。”

对建造钢管拱桥有相当经验和实力的广西路桥集团总工程师韩宇告诉记者，前苏联发明了钢管混凝土拱桥，但没有充分发挥钢管混凝土拱桥的建造和结构优势。他们将钢管分段，然后浇注混凝土，安装在支架上。这样，它没有充分发挥它的“轻”优势。其实无支架安装是这类桥梁的施工优势，结构优势没有发挥出来。我们目前的施工方法是从两个拱脚向拱顶连续浇筑混凝土。在结构上，这是最合理的结构。

提到钢管混凝土拱桥的浇筑，就要提到“真空管内混凝土辅助浇筑技术”。对此，郑院士颇有心得:“后张法预应力管灌浆由压力灌浆变为真空灌浆，激发了浇筑混凝土的灵感，但后张法预应力管灌浆的管径只有10cm，而我们的钢管都在1m以上，最大为1.8m..除此之外，他们倒水泥浆，而我们倒混凝土。经过分析，感觉有可能，但必须经过大规模实验证明。钢管混凝土拱桥管内混凝土浇筑的传统方法是用加压泵从两个拱脚向拱顶连续泵送混凝土。空气体将被移动的混凝土包裹，形成一个封闭的空房间。而且，空气体因为轻而上浮，集中在钢管顶部，尤其是平拱顶段，造成混凝土和钢管脱粘/如果管内空接近真空，脱粘和脱粘空的病害肯定可以减少。能减多少？泵送空会造成混凝土离析吗？真实空度应该有多合适？所有这些都必须经过测试才能得到答案。为此，我们做了两个长度50米、直径70厘米的大规模对比实验，一个压力灌注，一个真空辅助灌注。结果如预期的那样，回答了我们的问题并获得了参数，并应用于合江长江第一大桥。之后，对我们认为最有可能不密实的所有内翼缘进行了测试，100多个内翼缘处的混凝土非常密实。”

通过对true 空辅助浇筑混凝土施工技术的研究和应用，也发现了一个意想不到的收获——这项发明不仅提高了质量，而且降低了大量成本。“当时，我想不出来。我们增加了抽水空设备，那么如何才能省钱呢？仔细分析后发现，首先正品空的设备非常便宜。一套价格才3.5万，四套才14万。二是由于泵送的是真空，没有压缩空气体，所以混凝土泵送速度更快，施工更顺畅。速度提高了，那些大型设备的使用寿命缩短了，设备的使用费大大降低了。这是我们事先没有预料到的。”到目前为止，郑院士说起存钱还是很开心的。因此，他认为真空管内辅助浇筑混凝土技术绝对可以替代传统技术，成本更低，质量更高。

中国工程院院士向对钢管混凝土拱桥给予了充分肯定:“这种桥的优势主要体现在钢管混凝土拱肋的性能上。首先，在构件性能方面，钢管混凝土是将混凝土浇筑到钢管中形成的构件。钢管中的混凝土可以提高薄壁钢管受压时的稳定性，提高钢管的耐腐蚀性和耐久性。同时，钢管墙对混凝土的约束作用可以提高混凝土的抗压强度和延性。它充分利用了钢管与混凝土在受力过程中的相互作用，充分发挥了材料的优势，提高了构件的承载力。因此，钢管混凝土构件主要用于受压拱桥，可以有效提高材料的使用效率，节约成本。其次，在结构性能方面，拱肋的经济性能较好，决定了钢管混凝土拱桥的适用跨度范围较大；拱肋重量轻、承载力大，决定了其合理跨度大于钢筋混凝土拱桥，小于钢拱桥，钢管混凝土具有良好的延性和抗震性能。大跨度钢管混凝土拱桥拱肋采用多管组合的桁架形式，可以避免单管拱截面的缺点，增加截面惯性矩和刚度，提高结构的跨越能力。三是施工方面，钢管混凝土拱桥分段拼装，吊装重量小，进度快；转体施工时，结构轻巧，施工风险小。采用空钢管拱肋作为承重支架和模板，完成管内混凝土浇筑，可节约施工成本。”

应用:530米里程碑

钢管混凝土拱桥在国外从未超过300米，其制约因素在于施工方法。然而，中国造桥工人利用他们独创的施工技术，使他们突破500多米，向700米进军。其许多引以为傲的技术创新在泸州合江长江第一桥的建设中得到了充分体现。

2013年通车的第一座合江长江大桥是世界上最大的钢管混凝土拱桥，在各类拱桥中排名第三。那么，你第一次建造合江大桥的时候是怎么想到选择钢管混凝土拱桥的呢？郑院士回忆:“当时四川设计院作为设计方，想推广钢管混凝土拱桥，但是声音不一，主要是风险大。当时业主泸州东南高速公路发展有限公司总经理张来找我，她带我去了现场。我参观的时候说，这是修拱桥最好的地方！虽然地处比较平坦的河滩，但这里的岩石裸露，承载能力足够，周围除了一条高压线外没有任何干扰。大型缆索悬挂系统非常便于布置。”

虽然大家一直倾向于钢管拱桥，但是报批的时候并不是很顺利。总工程师韩宇告诉记者:“方案最初的想法是悬索桥，后来提出建钢管拱。从经济角度看，钢管拱造价比悬索桥低7000-8000万。业主也更倾向于节约，有专家觉得开评审会的时候风险太大。几经争论，交通部决定进行专项风险评估。这是该部首次对桥梁进行风险评估。评估结果为两个四级风险和三个三级风险。风险有五个等级，永远做不到，四个等级必须非常小心，所以这个评估基本上是顶级风险。风险点主要分布在钢管混凝土、高空焊接和安装稳定性。后来，我们做了很多工作来解决这些风险。比如，我们利用true 空技术辅助管道内混凝土浇筑，解决了混凝土浇筑的风险。最后，一年后获得批准。”

合江一桥总造价为2.5亿元人民币，全桥单位造价仅1万元/平方米，约为同等跨径钢箱拱桥的2/3，经济效益非常可观。同时，该桥的建设取得了一系列创新成果：一是形成了超大跨径钢管混凝土拱桥的设计技术。针对超大跨度钢管混凝土拱桥兼顾桥梁施工期和服役期横向稳定，研发了基于吊装单元的拱桁结构设计，实现了无临时构件安装、吊装单元间连接超强、高空焊接量最少。二是首创了大型钢管混凝土结构真空辅助灌注管内混凝土技术。为解决钢管混凝土脱空问题，在国际上率先研发了“大型钢管混凝土结构管内混凝土真空辅助灌注方法”“真空辅助灌注系统”，在530米特大跨径钢管混凝土拱桥上首次实现了高度120米、距离超500米、单管800米3的管内混凝土全过程真空辅助三级连续泵送施工，保证了管内混凝土灌注密实，结合新型自填充、无收缩管内混凝土制备和应用技术，保证钢管与混凝土在结构全生命周期共同受力，突破了钢管混凝土拱桥发展的质量瓶颈。三是首次研发和形成了500米级钢管混凝土拱桥的超高精度施工控制技术和成套装备。创新了特大体量钢管拱桁节段卧式耦合制造、拱肋斜拉扣索智能调载、吊扣塔架智能纠偏及吊装主索可拆分、横移和自动控制等技术，研发了相应成套装备，实现了全桥1024个拱桁吊装节段精确就位，拱肋合龙轴线偏位