劲性骨架混凝土拱桥在中国

近现代随着优质人工材料如混凝土、铁和钢的发明及应用，拱桥跨径快速攀升。

其中混凝土拱桥从1875年诞生到1997年的万州长江大桥跨径突破400 m，经历了一百多年，2016年建成了跨径445 m的沪昆高铁北盘江特大桥，创造了新的世界纪录。

☝沪昆高铁北盘江特大桥顺利合龙

新华社记者 刘续 摄

钢管混凝土拱桥是一种优良的钢混组合桥梁，主要结构中钢管因混凝土的填充提高了局部稳定性，混凝土因钢管的套箍作用增大了韧性和强度。

中国工程师对钢管混凝土拱桥受力机理和施工方法进行了深入研究，取得了许多创造性的成果，推动了钢管混凝土拱桥在中国的大量修建，20多年来建成的数量超过了400座，最大跨径达到了530 m，至今仍保持着高速发展态势。

☝合江长江一桥   贾剑锋 摄

合江长江一桥，主跨530 m，2013年建成。中国的钢管混凝土拱桥还有广西三岸邕江大桥（主跨270 m，1998年建成）、四川巫山长江大桥（主跨460 m，2005年建成）、安徽太平湖大桥（主跨352 m，2007年建成）、沪蓉西支井河特大桥（主跨430 m，2009年建成）等。

同时还推动了以钢管混凝土为劲性骨架的混凝土拱桥跨径的突破，全世界跨径超过400 m的混凝土拱桥共4座，均为劲性骨架混凝土拱桥，且都建造于中国，其中3座于2016年建成，创造了世界桥梁发展史上的奇迹。

中国的劲性骨架混凝土拱桥，除了沪昆高铁北盘江特大桥（主跨445 m，2016年建成），还有云桂铁路南盘江特大桥（主跨416 m，2016 年建成）、渝黔快铁夜郎河特大桥（主跨370 m，2016年建成）、万州长江大桥（主跨420 m，1997年建成）、广西邕宁邕江大桥（主 跨312 m，1996年建成）、昭化嘉陵江特大桥（主跨364 m，2012年建成）等。

钢管混凝土拱桥

1990年，中国建成第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥，之后每年以18座左右的数目迅速增长。

据统计，截至2015年年底，中国建成的钢管混凝土拱桥已超过400座，其中，跨径超过200 m的54座，超过300 m的11座，超过400 m的4座。

2013年通车的合江长江一桥是目前世界最大跨径的钢管混凝土拱桥，在各类拱桥中跨径排第三。

目前在建钢管混凝土拱桥中跨径超过400 m的还有3座，包括跨径430 m的拉（萨）林（芝）铁路上的藏木雅鲁藏布江桥。

劲性骨架的混凝土拱桥

劲性骨架混凝土拱桥由奥地利工程师Josef Melan在1898年发明，又称米兰拱。其拱圈施工程序是：首先架设钢劲性骨架，然后在其上挂模板浇注拱圈混凝土，两者共同构成钢混组合的拱圈。

20世纪90年代，中国工程师首先提出用钢管混凝土拱替代钢拱桁作为劲性骨架，减少了劲性骨架一半左右的用钢量。跨度300 m以上混凝土拱桥的劲性骨架，除鸭池河大桥采用型钢外，其余8座桥均采用钢管混凝土。

钢管拱桁质量约占混凝土拱圈总质量的1/14左右，虽然在灌完管内混凝土后其承载能力及刚度得到提高，但是钢管混凝土劲性拱骨架要承担拱圈外包混凝土自重，这比拱圈二期恒载及活荷载总和还要大得多。而骨架弦管内混凝土初始压应力储备少，极易导致瞬时拉应力超过容许状态，因此必须采取调载措施。

中国工程师开发了斜拉扣索调载、拱圈混凝土分环、环内混凝土多工作面同时浇注的工法，使承载能力逐渐提高，减少了劲性拱骨架的受力。以每一环或者每一次浇注的混凝土荷载加上后结构保持安全为原则来确定分环方案。

但因为一环混凝土不可能瞬时完成浇注和加载，在浇注过程中若不采取措施，会产生比完成一环浇注后大得多的瞬时应力和变形，采用多工作面同时浇注，减少了劲性骨架承受的瞬时应力、变形，再通过斜拉扣索调载就能把瞬时应力、变形控制在安全范围内，还能降低劲性骨架的永存应力。

实践证明中国工程师提出的钢管混凝土劲性骨架混凝土拱桥施工方法比国外流行的两端挂篮悬浇+中间劲性骨架施工方法风险更小、工期更短、费用更低。

中国2016年建成的世界最大跨径混凝土拱桥——445 m跨径的沪昆高铁北盘江特大桥及416 m跨径的云桂铁路南盘江特大桥，原批准的初步设计就是两端挂篮悬浇+中间钢管混凝土劲性骨架施工方法，后经反复比较后放弃了原方法，改而采用了全跨钢管混凝土劲性骨架、斜拉扣索调载、拱圈混凝土分5环、环内混凝土6工作面同时浇注的工法，最终获得成功。

中国修建劲性骨架混凝土拱桥30多年来，修建了跨径超过400 m的桥梁4座、超过300 m的桥梁9座，而国外修建劲性骨架混凝土拱桥100多年来，最大跨径仅达到260 m，中外施工方法的不同是其中的主要原因。

钢管混凝土拱桥和劲性骨架混凝土拱桥，同属广义的劲性骨架混凝土拱桥。

只是钢管混凝土拱桥混凝土灌注在弦管内，无需模板，因此施工更为方便，拱圈形成时间很短、造价更低，跨径增大更快。已建和在建跨径超400 m的钢管混凝土拱桥已达7座，广泛应用于公路和城市桥梁中，少量应用于铁路桥梁中。

中国拉（萨）林（芝）铁路藏木雅鲁藏布江特大桥——跨径430 m的钢管混凝土拱桥正在施工，预计将于今年建成。如果进一步验证钢管混凝土拱桥对日温差不敏感，还会将其应用于高铁上。

虽然中国工程师在钢管混凝土拱桥和劲性骨架混凝土拱桥的设计与施工中取得了成功，但还不能完全满足“一带一路”以及中国公路、铁路建设的需要。

在技术上仍需继续创新，比如通过对提高焊接节点抗疲劳性能、斜拉索调载的最优控制方法、分环和工作面的最优化设置等技术的研究，进一步降低劲性骨架重量、减少施工费用及风险、缩短工期，继续增大跨径。

目前工程师们已初步论证了净跨650 m的钢管混凝土拱桥的可行性，期待着混凝土拱桥跨径早日超过700 m，成为新的纪录保持者，并引领拱桥的发展。

参考文献：

Jielian Zheng,Jianjun Wang. Concrete-Filled Steel Tube Arch Bridges in China[J]. Engineering, 2018, 4(1): 143-155.

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