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作者：鄭皆連
位于廣西壯族自治區(qū)平南縣潯江上的平南三橋是鄭皆連團(tuán)隊(duì)的經(jīng)典之作，全長(zhǎng)一千零三十五米，主橋跨徑五百七十五米。圖為平南三橋雄姿。
作者鄭皆連肖像畫(huà)。本版畫(huà)家 張武昌繪
鄭皆連（左一）在平南三橋加工制造現(xiàn)場(chǎng)。
鄭皆連主持建造的四川瀘州合江長(zhǎng)江一橋（二〇一三年建成）是國(guó)家高速公路網(wǎng)成渝地區(qū)環(huán)線(xiàn)的控制性工程，跨徑五百三十米，是當(dāng)時(shí)最大跨徑的鋼管混凝土拱橋。圖為鄭皆連在橋前留影。
橋梁歷來(lái)是人類(lèi)跨越江河湖海、高山峽谷的最主要方式。自上世紀(jì)50年代，現(xiàn)代橋梁形成了四種基本橋型即梁橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋。它們的結(jié)構(gòu)不同，跨越能力和工程造價(jià)、施工方式相異。每一座橋梁建設(shè)時(shí)選擇什么樣的橋型，必須根據(jù)跨越功能的需要、橋位和周邊環(huán)境的特點(diǎn)而定。
在四種橋型中，拱橋的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，受力最為合理，承受的垂直力自動(dòng)轉(zhuǎn)化為拱圈軸向壓力，承載能力強(qiáng)、剛度大、耐久性好。中國(guó)古代對(duì)世界拱橋建造技術(shù)貢獻(xiàn)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(xiàn)類(lèi)似橋型早500多年，至今還屹立在河北省趙縣的洨河上，被譽(yù)為“世界土木工程里程碑”。
令人遺憾的是，近100年來(lái)，中國(guó)除在石拱橋方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位外，在混凝土拱橋、鋼拱橋方面均落后于西方。1898年，奧地利工程師約瑟夫·米蘭發(fā)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(guó)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(guó)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(jì)錄相距甚遠(yuǎn)。
中國(guó)工程師奮起直追。1968年，筆者提出了斜拉扣掛松索合攏架設(shè)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(fèi)用。據(jù)測(cè)算，跨徑100米左右的拱橋單位造價(jià)可以降到與跨徑30米的簡(jiǎn)支梁橋的造價(jià)持平。1994年，筆者提出了斜拉扣掛合攏松索法，在靜態(tài)中完成懸臂梁向拱的轉(zhuǎn)化，使懸拼拱橋跨徑大幅提高到500米成為可能。1977年，中國(guó)工程師張聯(lián)燕提出了拱橋轉(zhuǎn)體施工工法，為拱橋無(wú)支架施工又提供了新途徑。在筆者看來(lái)，無(wú)支架施工是傳統(tǒng)拱橋和現(xiàn)代拱橋的分水嶺，上述施工方法和工法的創(chuàng)新使中國(guó)拱橋建設(shè)完成了從傳統(tǒng)向現(xiàn)代的跨越，在中國(guó)拱橋建設(shè)史上具有劃時(shí)代意義。
得益于施工技術(shù)、材料技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，拱橋建造風(fēng)險(xiǎn)降低、質(zhì)量提高，競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)，中國(guó)拱橋建造數(shù)量迅速增加，跨徑獲得重大突破。近30年來(lái)，中國(guó)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(mén)鋼桁拱橋，跨徑445米的滬昆高鐵北盤(pán)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(guó)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(shù)已挺進(jìn)到世界前列。
最近30年，中國(guó)拱橋發(fā)展最快的分枝有兩個(gè)：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桿采用鋼管混凝土截面，是優(yōu)良的鋼、混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中，管內(nèi)混凝土提高了鋼管壁的局部穩(wěn)定性，而鋼管的套箍作用則增強(qiáng)了管內(nèi)混凝土的韌性和承載能力，也可認(rèn)為，鋼管混凝土拱橋是從鋼拱橋發(fā)展而來(lái)，在受壓的拱圈中，用廉價(jià)的混凝土取代了部分鋼，降低了造價(jià)，加快了拱圈形成速度，因此多數(shù)情況下，鋼管混凝土拱橋必然會(huì)替代鋼拱橋。
鋼管混凝土拱橋源于蘇聯(lián)，該國(guó)于1937年和1939年各建成一座該類(lèi)拱橋。其施工方法是在預(yù)制場(chǎng)將鋼管分段灌注混凝土，在滿(mǎn)堂支架上拼裝成拱，未能使鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)、施工優(yōu)勢(shì)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，以致在此后約80年間，蘇聯(lián)和之后的俄羅斯再也沒(méi)有建設(shè)新的該類(lèi)拱橋。
鋼管混凝土拱橋在中國(guó)大放異彩，本土工程師利用自己開(kāi)發(fā)的斜拉扣掛技術(shù)、轉(zhuǎn)體技術(shù)架設(shè)鋼管拱桁，真空輔助壓力連續(xù)灌注管內(nèi)混凝土，提高鋼管混凝土拱橋質(zhì)量，降低了造價(jià)，縮短了工期，增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)力。30年來(lái)，各地建成了鋼管混凝土拱橋近500座，最大跨徑達(dá)到560米，創(chuàng)世界各門(mén)類(lèi)拱橋跨徑紀(jì)錄且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在中國(guó)，鋼管混凝土拱橋建造之多，跨徑發(fā)展之快在世界拱橋史上都是罕見(jiàn)的。所以我們有充足理由說(shuō)，具有工程價(jià)值的鋼管混凝土拱橋是中國(guó)工程師開(kāi)發(fā)的。
2013年建成通車(chē)的合江長(zhǎng)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，為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外各類(lèi)拱橋跨徑之最，也是第一座跨徑超過(guò)500米的鋼管混凝土拱橋。該橋在拱桁、橋道梁施工中開(kāi)展大型化、裝配化、工廠(chǎng)化建造試點(diǎn)，拱桁采用纜索吊運(yùn)，斜拉扣掛懸拼，合攏后松索工法安裝，開(kāi)發(fā)了真空輔助壓力多級(jí)連續(xù)灌注管內(nèi)混凝土工藝及設(shè)備，歷時(shí)三年成功建成，竣工造價(jià)2.6億元人民幣，獲第36屆國(guó)際橋梁大會(huì)喬治·理查德森獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)土木工程詹天佑獎(jiǎng)、中國(guó)建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)。
2021年建成通車(chē)的合江長(zhǎng)江三橋，是一座城市鋼管混凝土系桿拱橋，跨徑507米，為同類(lèi)橋跨徑世界之最。該型拱橋比鋼拱橋拱圈重，系桿用量增大，但是拱圈用鋼量減少一半，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)依然存在。經(jīng)多方案比較，合江長(zhǎng)江三橋最終采用了鋼管混凝土系桿拱橋方案。
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(jì)算跨徑560米，為全球拱橋跨徑之最。其建設(shè)不僅要成功解決超大跨徑難題，而且還必須克服北岸橋臺(tái)建在卵石層上、南岸橋臺(tái)建在基巖導(dǎo)致的巨大困難。為此，筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析和原位試驗(yàn)，反復(fù)論證后，推薦北岸橋臺(tái)采用 “地下連續(xù)墻+注水泥漿加固的卵石層”復(fù)合基礎(chǔ)，取得了在16萬(wàn)噸恒載重壓下，20個(gè)月的卵石地基沉降僅為5.2毫米的世界工程奇跡，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為非巖地區(qū)建造大跨推力拱橋提供了一個(gè)成功范例。
平南三橋還實(shí)現(xiàn)了大型化、裝配化、工廠(chǎng)化建造，上部結(jié)構(gòu)工廠(chǎng)制造率達(dá)85%，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)施工實(shí)現(xiàn)了無(wú)模板化。平南三橋拱桁施工中，一側(cè)拱桁分22段，最大節(jié)段質(zhì)量214噸，長(zhǎng)、寬、高分別為37.1米、4.2米、13.0米，采用跨度601米、吊重220噸的纜索起重機(jī)吊運(yùn)。平南三橋建設(shè)中，中國(guó)工程師還研制了大流動(dòng)性、自密實(shí)、膨脹收縮可設(shè)計(jì)的混凝土材料，使管內(nèi)C70混凝土灌注密實(shí)與鋼管結(jié)合緊密，突破了鋼管混凝土拱橋發(fā)展最重要的質(zhì)量瓶頸；獨(dú)創(chuàng)以力主動(dòng)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛度被動(dòng)控制吊扣塔位移，不但實(shí)現(xiàn)了吊扣塔瘦身，塔頂位移從分米級(jí)下降到厘米級(jí)；獨(dú)創(chuàng)斜拉扣索一次張拉不調(diào)索，每組扣索一次拆除工法，加快了拱桁懸拼速度和質(zhì)量。
在施工中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新大型橋梁施工管理范式，打造信息化、規(guī)范化施工典范工程。把質(zhì)量、安全放在首位，堅(jiān)持文明施工，環(huán)境保護(hù)。建立施工監(jiān)控指揮中心和混凝土集控中心，集成BIM技術(shù)和其他信息化技術(shù)，輔以無(wú)人機(jī)、鷹眼監(jiān)控系統(tǒng)、深基坑安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、大體積混凝土溫控系統(tǒng)、塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)等十余個(gè)智能施工管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度、費(fèi)用全天候、多維度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在施工監(jiān)控指揮中心就能完成所有數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)調(diào)度，平南三橋的施工管理水平受到國(guó)內(nèi)外同行的高度贊揚(yáng)。
2019年12月8日，以平南三橋?yàn)楸尘俺晒εe辦世界大跨度拱橋建設(shè)技術(shù)大會(huì)。在會(huì)上，世界拱橋大會(huì)永久性學(xué)術(shù)委員會(huì)主席布魯諾·布利斯杰拉說(shuō)：“就平南三橋而言，施工現(xiàn)場(chǎng)整潔且建造技術(shù)和管理能力在世界上都是一流的。”
平南三橋已經(jīng)成為橋梁界的“世界明星”，不僅質(zhì)量?jī)?yōu)秀，而且建設(shè)周期短至28個(gè)月，工程造價(jià)低（按橋面面積計(jì)算，每平方米造價(jià)僅為18152元）。平南三橋的成功進(jìn)一步增強(qiáng)了中國(guó)工程師的信心，根據(jù)初步論證，我們認(rèn)為，建造700米級(jí)的鋼管混凝土拱橋是現(xiàn)實(shí)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(fā)明的。120年來(lái)，國(guó)外用此法建成的該類(lèi)拱橋最大跨徑240米。最近30年間，我國(guó)把勁性骨架混凝土拱橋的跨徑提高到445米。
中國(guó)工程師對(duì)勁性骨架混凝土拱橋的貢獻(xiàn)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(kāi)發(fā)了分環(huán)、多工作面澆注外包混凝土和斜拉索調(diào)載技術(shù)，能有效地控制瞬時(shí)應(yīng)力及降低永存應(yīng)力，從而提高了安全性、經(jīng)濟(jì)性，推動(dòng)其高速發(fā)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(dāng)時(shí)同類(lèi)橋世界第一，拱肋分3環(huán)澆筑，用3組斜拉索調(diào)載，實(shí)現(xiàn)了底板混凝土連續(xù)澆注，至今也是世界唯一實(shí)現(xiàn)一環(huán)混凝土連續(xù)澆注的勁性骨架混凝土肋拱橋。技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)?wèi){借開(kāi)發(fā)的拱桁懸拼技術(shù)和斜拉索調(diào)載技術(shù)世界領(lǐng)先，摘得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
2016年建成通車(chē)的跨徑445米的滬昆高鐵北盤(pán)江勁性骨架混凝土拱橋，是世界最大跨徑的混凝土拱橋?？鐝?16米的云桂高鐵南盤(pán)江勁性骨架混凝土拱橋，跨徑居客、貨共線(xiàn)鐵路混凝土拱橋之首。兩橋在勁性骨架鋼材重量?jī)H為外包混凝土重量的1/15情況下，通過(guò)系列調(diào)載技術(shù)，保證了外包混凝土澆注安全，降低了造價(jià)。目前，中國(guó)已建成9座跨徑超過(guò)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(yù)計(jì)于2023年建成。
多年來(lái)，筆者帶領(lǐng)大跨拱橋關(guān)鍵技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)矢志不渝推動(dòng)拱橋科研和工程技術(shù)創(chuàng)新，取得了系列重大成就，贏(yíng)得了諸如全國(guó)創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先獎(jiǎng)牌等殊榮。巨龍飛架，天塹變通途。讓我們無(wú)比自豪的是，見(jiàn)證并助力一座座雄偉的中華拱橋飛架祖國(guó)萬(wàn)里錦繡河山，不僅成為中華民族走向富強(qiáng)的標(biāo)志性符號(hào)，而且為國(guó)際橋梁科技進(jìn)步、提升世界各國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平貢獻(xiàn)了中國(guó)智慧。中國(guó)拱橋已經(jīng)贏(yíng)得世界聲譽(yù)，無(wú)論是建造技術(shù)還是數(shù)量，都已挺進(jìn)到世界前列。
科技進(jìn)步永無(wú)止境，科技變革一日千里。中國(guó)工程師要奮勇攀登、風(fēng)雨兼程，把拱橋科技推向新的、更高境界，繼續(xù)書(shū)寫(xiě)中華千年建橋傳奇，打造更多當(dāng)代橋梁經(jīng)典，更好造福世界。
?。ㄗ髡邽橹袊?guó)工程院院士，廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院教授，首創(chuàng)多項(xiàng)拱橋施工工藝，主持建造了多項(xiàng)創(chuàng)世界紀(jì)錄的拱橋工程。）
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