因科技创新而强大 钢管混凝土拱桥建造技艺的持续进阶

工程是以集成构建为核心的活动，是科学、技术、经济、管理、社会、文化、制度、环境等多要素的集成、选择和优化，具有本体性特征。工程本体论是科学、技术和工程“三元论”哲学观点的基础，工程离不开科技，但也不是科技的简单堆砌，工程选择科技。工程是构成产业和经济的单元，是现实的直接的生产力，是创新活动主战场，大工程促进拱桥技术创新与发展。

合江长江一桥位于四川省泸州市合江县境内，是泸渝高速公路控制性桥梁。主桥跨径530m，是世界上第一座跨径突破500m的CFST拱桥，该桥于2013年6月建成通车。

图1 合江长江一桥设计图

合江长江一桥主跨达530m，较当时最大跨径CFST拱桥——巫山长江大桥（主跨460m），提高了70m，主要面临着钢结构制造焊接质量保证难、施工安装风险高、管内混凝土施工质量保证难、桥面梁耐久性保证难等工程难点。大工程催生工程技术创新，合江长江一桥在继承传统工艺的基础上，对主拱圈优化设计、钢管拱肋工厂制造和空中焊接拱肋、主梁吊运技术和装备、拱肋扣挂技术、管内混凝土材料制作与灌注工艺、组合桥面梁设计施工技术等进行研发创新，促进了拱桥技术的发展。

拱圈高精度制作技术

该桥拱桁悬拼单元重量超200t。国标中推荐的立式耦合制造方法，造价高、施工难度大、安全性差。为此，研发了卧式2+1耦合制造技术，解决了大体量拱桁悬拼单元高精度制作难题。该桥施工中，法兰盘间无需任何垫片调整就实现了全部螺栓顺利栓接，拱肋各控制点轴线偏差均<10mm、标高偏差<25mm，实现了高精度安装。

图2 拱肋卧式制作

拱圈高精度安装技术

（1）索鞍横移方法和智能强健型缆索吊运系统

该桥研发了可横移缆索吊运系统，只用一组主索就完成了12000t钢结构的安装，可减少一半的主索和卷扬机等设备，大幅度降低项目成本和一次性投入。

此外，为提高缆索吊运系统的灵活性和安全性，缆索吊运系统电机采用变频驱动，起重机运行平稳，引进PLC控制系统，能实现24台卷扬机的集中控制，2套缆索吊机智能同步运行。引进安全监控系统，实时监控起重量、升/下降高度、运行行程等数据，并有预警装置，确保施工安全。

（2）斜拉扣挂系统

合江长江一桥扣塔采用钢管混凝土格构塔式结构。扣塔位于两岸拱座上，塔高分别为148.51m（重庆岸）和134.6m（宜宾岸）。扣塔的桁架节段在扣塔上下游两侧立式制作，每段高20m，最大重量340 kN 。采用摇臂抱杆吊技术，利用了扣塔自身的结构和刚度，减轻了吊装设备，避免了使用价格昂贵、庞大的大型吊装设备，节约了成本600万元以上。针对拱圈悬臂拼装线形控制难题，开发了可行域施工控制方法，过程中需调扣索一次，实现拱圈高精度合龙。

图3 摇臂抱杆工作图及安装照片

管内混凝土施工技术

针对传统泵送压注工艺，在管顶及内法兰处易形成空隙的问题，研发了管内混凝土真空辅助灌注方法与装备。通过两根直径700mm、长50m的钢管管内混凝土灌注对比大型试验，真空辅助灌注管内混凝土密实度的优良率较常规灌注提高1.8倍。合江长江一桥，单根管内混凝土800m3、高度120m，采用真空辅助三级连续泵送灌注，对全桥钢管混凝土主弦管进行了超声波检测，结果为合格率100%，优良率97%。

图4 真空辅助灌注工艺试验

组合桥面梁设计施工技术

合江长江一桥桥面板采用钢格子梁结构，可减少桥面系自重并减少材料用量，提高桥梁的跨越能力，同时达到节能降耗的目的。桥面钢格子梁由两道主纵梁、三道次纵梁与吊索处的主横梁及四道次横梁组成，主、次纵横梁均采用“工”字形截面。格子梁上满铺6mm厚钢底板，钢底板上浇筑15cm的高韧高弹混凝土，钢底板和混凝土间通过可靠PBL剪力键连接，铺装5cm厚的沥青混凝土。

平南三桥是广西荔浦至玉林公路平南北互通连接线跨越浔江的一座特大型桥梁，于2020年12月通车。该桥主桥跨径为575m的中承式CFST拱桥，拱轴线为悬链线，矢跨比1/4，节段最重215t，分44段吊装；C70管内混凝土8000m3。南岸拱座为明挖扩大基础，北岸拱座为地下连续墙。

图5 平南三桥总体布置

平南三桥为目前世界上最大跨径拱桥，该桥在传统拱桥的基础上，对缆索起重机与控制系统、拱桥斜拉扣挂体系、塔架顶偏位控制系统及拱圈线形控制技术、拱桥静风响应、C70自密实不收缩混凝土、真空辅助灌注等关键技术进一步创新，推动了世界拱桥的发展。

拱座基础创新

主拱圈为超大型推力拱，对基础的承载能力要求高。北岸拱座区域基岩以上部分覆盖深厚的卵石层与粉质黏土层，无法提供充足的抗力。对基岩以上部分卵石层进行处理，形成卵石复合基础，提高承载能力。

图6 “地下连续墙+注浆加固的卵石层”复合基础结构

缆索调运及斜拉扣挂系统

（1）装配式重型钢管塔架

针对传统万能杆件塔架结构存在的施工成本高、施工工期长等问题，研发了装配式重型钢管塔架系统。整个塔架安装较便捷，较传统万能杆件塔架结构可缩减20%施工周期和钢材用量，经济效益显著。

图7 重型钢管塔架

（2）主动控制技术

缆索吊塔架高达200m，吊运拱肋节段悬拼过程中，塔架受力变形将导致扣挂在塔上的拱肋节段联动偏位，影响拱肋悬拼精度。因此，研发了塔顶偏位智能纠偏系统对塔架位移进行适时控制和调整。智能纠偏系统，由塔顶位移自动测量装置、计算机控制系统、智能张拉设备三大部分组成。塔顶位移自动测量装置实时测量位移量，并将采集的数据传输至计算机控制系统，计算机控制系统接收数据信号，经硬件系统和软件系统处理后发送至液压千斤顶系统，控制液压千斤顶的加载/卸载，实现主动纠偏。

（3）斜拉扣挂系统

在传统基础上改进设备，主拱肋悬臂拼装扣挂体系采用通索设计。扣挂系统主要由锚拉板扣点、扣点分配横梁、扣索、扣索转向索鞍、索鞍平台、地锚等组成。

钢管拱肋工厂制造和空中焊接

拱肋空中焊接残余应力及其对拱肋整体影响。拱肋主-支管相贯节点足尺试验模型，试验试件根据相贯角度分为30°、45°、60°与90°四组，厘清拱肋沿主管环向的焊接残余应力分布模式。采用有限元方法对焊接残余变形影响下的钢管拱肋整体分析，发现焊接残余变形使全桥变形增大，其中最大竖向变形量值为0.109m，相比于自重下增大4.6%。

图8 30°相贯线节点试验试件

管内混凝土体积稳定性

新型自密实、无收缩混凝土新材料。一方面，研发了高稳健性化学外加剂材料，解决了因材料、温度、时间等因素导致混凝土工作性波动大的难题，实现了管内混凝土长时间连续灌注密实。另一方面，开发了历程可控复合膨胀补偿收缩技术，解决了长期以来一直未解决的混凝土收缩难题。

为验证措施的有效性，取管内混凝土最易脱空的拱肋节段——拱顶水平段，开展了管内混凝土灌注试验。试验结果表明，试验管截面可见管内混凝土骨料分布均匀，28天后无损检测波速均达到4700m/s以上，无脱空、脱黏情况。

图9 水平段管内混凝土灌注试验

线形控制技术

传统线形控制方法忽略了各拱肋吊装施工过程中的线形和各扣索索力均匀性等问题，基于影响矩阵原理和最优化计算理论，研发了“过程最优，结果可控”一次张拉施工优化计算方法。平南三桥主跨575m钢管混凝土拱桥合龙线形与目标线形控制在30mm以内，实现拱圈高精度拼装。

小结

（1）主跨575m平南三桥，钢结构14558t，拱肋分44段、桥面梁分37段制安装，上部结构工厂化制造装配化安装比率达85%，且实现了后续桥面无模板化施工。

（2）针对管内混凝土脱空脱黏问题，采用“真空辅助+多级连续泵送”技术和自密实无收缩混凝土材料等多项措施，实现了钢管与混凝土协同受力，灌注完成后28d合格率均达100%。

天峨龙滩特大桥是南下至天峨下老高速公路的控制性工程，主桥为跨径600m上承式劲性骨架拱桥，是世界第一跨度的劲性骨架钢筋混凝土拱桥，建成后将刷新世界拱桥建造纪录。

图10 天峨龙滩桥

主拱圈高125m，矢跨比f=1/4.8，拱轴线采用悬链线，拱轴系数为1.9，劲性骨架总重7400t，最大节段165t。

图11 拱圈断面图

目前世界最大的混凝土拱桥为沪昆高铁北盘江大桥，跨径445m。同类型拱桥跨径一次提升155m，施工难度大，安全风险高，缺少经验借鉴。基于此，对组合式扣地锚、外包混凝土施工、超大跨径拱桥高精度线形控制方法等几个方面开展研究。

组合式扣地锚

“桩基承台+超长岩锚”扣地锚组合体系施工技术研究。针对锚索长度达112m，超长钻孔易塌孔、孔道偏斜等问题，研发双套管成孔技术和承载力试验研究，确保施工安全经济。

外包混凝土施工

（1）外包混凝土浇筑施工顺序研究

分别对比分析了拱脚至拱顶全断面浇筑施工方案和“三环、六段、八工作面”的施工方案（划分为底板环、腹板环、顶板环分别浇筑，每一环合龙后浇筑下一环；每环分8工作面同时浇筑，每个工作面浇筑6段）。

图12“三环、六段、八工作面”浇筑方案

对外包混凝土全断面浇筑开展计算分析，计算结果表明拱顶位移达±400mm，劲性骨架钢管应力400MPa，混凝土出现4MPa拉应力，施工风险较大，方案需进一步优化。

进一步对“三环、六段、八工作面”浇筑方案开展相关计算分析，计算结果表明，控制点位移变化圆顺，钢管最大应力350MPa，管内混凝土无拉应力产生，外包混凝土最大拉应力0.48MPa，表明该浇筑方案可行。

（2）外包混凝土施工技术

进一步对“三环、六段、八工作面”浇筑方案的底模、腹板模板和顶模进行设计，底板模板采用“木模+钢侧模+压模”，顶板模板采用“木模+钢侧模+压模”，腹板模板采用木模，矩形模板+梯形模板+脚手架。

图13 底板模板设计

图14 腹板模板设计

图15 顶板模板设计

超大跨径拱桥高精度线形控制方法

针对斜拉扣挂系统扣索采用断开式布置，基于影响矩阵原理和最优化计算理论，考虑扣塔和拱圈位移的耦合作用，建立一次张拉施工优化计算方法。

（1）钢管拱的总体思路。采用卧式N+1大段工厂化、工业化制造；钢管拱肋采用全焊钢管桁架结构；大段接头高精度法兰盘，快速安装。

（2）梁的总体思路。钢格子梁+混凝土桥面板的钢混组合梁；钢格子梁采用N+1工厂化、工业化大段制作。

（3）智能缆索吊机。可拆分可横移主索的缆索吊机（合索时单边吊装拱肋）；可拆分可横移主索的缆索吊机（分索时两边抬吊钢格子梁）；智能控制系统。

（4）拱肋安装线形控制技术。采用“过程最优，结果可控”一次张拉线性控制计算方法，实现扣索一次张拉到位，达到快速施工合龙的目的。

（5）管内混凝土灌注。采用真空辅助泵送灌注工艺；管内混凝土采用分级延时膨胀技术，实现管内混凝土体积稳定。

（1）“川桂”钢管混凝土拱桥建造技术路线推广应用后，安全和质量风险可控，进度最快，并可降低造价，应可大大促进钢管拱桥推广。 

（2）500米级跨度的钢管拱桥造价低，需要造价部门多支持，以提升大家建造意愿，替代更多斜拉桥、悬索桥，节约更多成本，为碳中和助力，如此600米以上钢管拱桥可期。

（3）钢管混凝土劲性骨架混凝土拱桥具有造价低、刚度大、养护成本低、耐久性好的优势，如果天峨龙滩大桥解决了拱肋外包混凝土施工工期长和混凝土易开裂的问题，则必将起到引领作用，该桥型必将可以得到快速发展。

（4）UHPC拱桥可能是钢管混凝土拱桥的竞争者，目前我们建成34米车行拱桥，正在建设80米车行拱桥。

致谢——

本文作者非常感谢以下专家和人员提供的帮助：郑皆连院士对合江长江一桥、平南三桥和天峨龙滩桥的施工关键技术提出了宝贵的指导意见，刘加平院士对平南三桥的拱座大体积混凝土裂缝控制、管内无收缩自密实C70混凝土的研制与生产提出了宝贵的意见，丁庆军教授对合江长江一桥、平南三桥的管内混凝土制备与优化进行了深入指导，在此一并感谢！