崇山峻岭架坦途——铁路大跨度拱桥建筑技术

成贵铁路西溪河特大桥

拱桥是一种非常普遍的桥型，它的适用性非常强，在桥梁史上发挥着重要作用。拱桥与山区V形峡谷地形契合度高，跨越能力大，整体刚度大，使得大跨度拱桥成为艰险山区铁路跨越峡谷地形首选的桥型结构。对于活载比重较大、动力问题较为突出的铁路桥，当需要较大跨度时, 由于斜拉桥、悬索桥等索结构刚度较柔, 拱桥是一种具有较大优势的结构。基于拱桥的优良性能，有着广阔的发展前景。

早期的拱桥大都是石拱桥，为了提高跨越能力，突破石材的限制，铸铁、锻铁、混凝土、钢材等新材料一出现，就很快被用于拱桥建造。19世纪20年代铁路出现后，铁路的不断修建，促进了桥梁技术的快速进步。

目前，世界上已建成的铁路大跨度拱桥几乎全在中国。最大跨度的石拱桥是成昆铁路一线天桥，主跨54m。最大跨度钢拱桥大瑞铁路怒江特大桥，主跨490m。钢管混凝土拱桥是川藏铁路藏木特大桥，主跨430m。钢筋混凝土拱桥是沪昆高铁北盘江特大桥，主跨445m。这些拱桥的建成，使我国迈入了大跨度铁路拱桥建设的世界先进行列。

1825年英国制造的世界第一条铁路：斯托克顿——达林顿铁路。有了铁路以后，木桥、石桥、铁桥和原来的桥梁基础施工技术就难于适应需要。19世纪末叶，由于结构力学基本知识的传播、钢材的大量供应，使铁路桥梁工程获得迅速发展。20世纪初，北美洲曾在铁路钢桥跨度方面连创世界纪录。到第二次世界大战前，公路钢桥和钢筋混凝土桥的跨度纪录又都超过了铁路桥。

1867～1874年，美国建成了圣路易斯钢拱桥-伊兹桥(Eads Bridge)，主跨158m，两边跨各153m，为当时世界最大跨度的拱桥，该桥的建成开启了大跨径钢拱桥的新时代。该桥多项技术世界上第一次采用：钢材拱肋、斜拉悬臂法施工、花篮螺栓合龙、大规模气压沉箱基础。受伊兹桥成功的鼓舞，许多精美的钢拱相继建成。

图1 伊兹桥

20世纪初至中叶结构力学的弹性内力分析方法普遍用于超静定承重结构的桥梁设计，为创造大跨纪录的工作取得有力的科学依据。1916年建成的美国纽约鬼门(Hell Gate)，主跨298m，4线重载铁路，道砟桥面。澳大利亚悉尼港桥，1932年建成，跨度503米钢桁拱，有8个车道，2条铁轨，1条自行车道及1条人行道。

世界上第一座钢管混凝土拱桥位于现俄罗斯乌拉尔卡缅斯克（Kamensk）的一条单线铁路线上，跨越伊赛特河。该桥主跨采用月牙形桁式两铰拱，跨度135m，矢高21.91m；支架法施工，1939年建成。此桥之后，鲜有对钢管混凝土拱桥作进一步研究和应用，半个世纪内，世界上没再建造钢管混凝土拱桥。

图2 俄罗斯卡缅斯克伊赛特河桥

中国铁路的历史出现在1865。英国人在北京宣武门铺设一条500m的供人欣赏的铁路模型。1876英国怡和洋行修建的吴淞铁路（吴淞-上海）真正算是中国的第一条铁路。第一座铁路拱桥建于1881年修建的唐胥铁路（唐山-胥各庄），该桥原是一座铁路石拱桥，桥孔形状如虹似月，桥顶刻有“1881”字样，历史上曾叫做“一八八一桥”。《唐山城市建设志》记载∶“此桥建于光绪七年（1881年）……为单孔石拱桥，长14.8米，宽10.25米，高3.3米。”1976年大地震中，小桥安然无恙。只是到了1978年，由于桥下的交通拥挤，在该桥南侧5m处，另建起一座钢筋混凝土双孔厢式桥。从此，原石拱桥被掩埋在铁道路基之内，成为一座“地下文物”。

现存最早的铁路拱桥是中东铁路穆棱河大桥，建于1898年。大桥全长174.03m，共10孔石拱，每孔净跨12.8m。位于黑龙江省穆棱县穆棱镇。石拱桥由俄罗斯工程师设计和主持施工。1945年8月9日，苏联红军解放了穆棱。日军在撤退时，为阻滞苏军进攻，炸毁大桥的第2、3石拱，1965年，穆棱河发生大洪水，第6、7、8、9石拱外层损毁。1989年，大桥被铁路弃用，现改为公路桥使用。

成渝铁路是新中国自行设计施工的第一条铁路，广大军民在国家财政极为困难的情况下，就地取材，仅用两年时间就全线贯通，该线的王二溪桥是22连拱桥。

图3 成渝铁路王二溪桥

五六十年代，随着铁路的大规模修建，相继建成了一批代表性铁路拱桥。1956年建成的宝成铁路松树坡桥全长121.4m，2-38米实腹石拱桥，位于陕西省宝鸡市境内，五十年代全路跨度最大、最高的石拱桥。同年竣工的包兰线东岗镇黄河桥位于甘肃省兰州市市郊，为3孔53m上承式钢筋混凝土肋拱桥，全长221.9m。拱肋采用钢拱架灌注混凝土，第1、2孔采用分段法灌注，第3孔采用加载法灌注，全桥钢筋混凝土用量1780m ³ ，混凝土3834m ³ ，片石圬工2180m ³ 。

1959年建成通车的太焦线丹河铁路大桥，全桥长144.8m，主孔跨度88m、上承式钢筋混凝土空腹无铰拱桥。当年为“亚洲第一独拱铁路桥”。该桥在结构上有一特点，就是在设计上加强了拱肋与横撑、桥面板的连接，增强了拱肋横向强度与稳定，不取拱肋中至中等于跨度的1/20，而取拱肋边至边为跨度的1/20。

1961年建成的兰新线昌吉河桥位于乌鲁木齐至国境段的昌吉河上。是中国第一座预应力混凝土刚性梁柔性拱桥。主跨56m，桥全长155m。该桥为拼装式结构，最大构件重218kN，在脚手钢梁上就地拼装。

1966年建成的丰沙线永定河7号大桥，位于北京市门头沟区珍珠湖风景区。全长218m，以150米的跨度横跨永定河.80年代属于亚洲最大的拱形大桥。同年建成的成昆铁路迎水河桥，是我国第一座采用栓焊技术的钢桥，112m刚性梁柔性拱桥，钢梁安装采用临时支墩半悬臂拼装法，先拼边孔40m上承钢桁梁，并以它作为中孔刚性梁拼装的平衡重。中孔以半悬臂法拼装，中孔跨间设两座塔架作为临时中墩，其2#塔高52m。拼装第3孔边孔24m钢梁时用中孔的刚性梁作为它的平衡梁进行悬臂拼装。全桥刚性拼装完毕后，将各孔的临时连接杆件拆除，调整塔架上的临时支点，至112m刚性梁处于没有恒载作用时的设计拱度标高，然后拼装112m梁的拱肋与吊杆等。在安装过程中，先调整内力，使拱肋推力达到设计值，然后封拱正式连接。同期建设的拉旧大桥、铜模甸二号桥和安宁河桥，均达到了当时国际先进水平。

图4 成昆铁路迎水河特大桥

中国铁路拱桥也是在进入21世纪后，随着中国经济快速发展和铁路建设的不断推进，取得了长足的进步。

2001年建成的水柏铁路北盘江大桥，是我国铁路第一座大型钢管混凝土拱桥。该桥为跨度236m的单线铁路上承式提篮拱桥，采用单铰平转法施工，转体施工重量10400t，首创了贴附聚四氟乙烯滑片的钢球面转铰。2004年建成的赣龙铁路吊钟岩特大桥，全长510.63米，主跨140m，为我国首座铁路大跨度劲性骨架转体。2005年建成的宜万铁路万州长江大桥，为主跨360m带伸出跨的中承式钢桁拱。2006年竣工的青藏铁路拉萨河大桥，主桥为(36+72+108+72+36)m钢管混凝土拱连续梁结构形式，首次采用五跨三拱连续梁系杆拱组合体系和双层叠拱结构主跨。其中主跨采用双层弯拱结构。主桥梁拱施工采用先梁后拱施工法, 钢管拱采用梁面上搭设支架拼装架设。2009年建成的京沪高铁大胜关长江大桥，是一座双联拱带伸出跨的钢桁拱，两个主跨均为336m，该桥为4线铁路+2线轻轨桥梁，京沪高铁运行其中，最高行车速度300km/h。

2014年建成的南广铁路西江特大桥，桥全长618.3m，主桥跨径450m，我国首座中承式铁路钢箱提篮拱桥，钢箱拱肋截面尺寸为15×5m，截面高度为世界第一。

2015年建成林织铁路纳界河大桥，主跨352m，是国内首座上承式铁路钢桁拱桥，为单线铁路，提篮拱桥。

2019年完成主体结构大瑞铁路怒江特大桥，主跨490m的上承式钢桁拱，是目前最大跨度铁路拱桥。桥上为四线铁路，两侧还各设一座3m宽站台，主拱是由四片桁分成两组构成的提篮拱,大桥首创了大跨度钢桁拱桥的拱圈四片桁、横向分离式整体节点、拱柱连接段分叉式构造等结构形式，形成了艰险山区大跨度钢桁拱桥钢构件轻量化设计成套技术。

图5 大瑞铁路怒江特大桥

2016年云桂铁路南盘江特大桥，主桥为416m上承式钢筋混凝土拱桥。主桥445 m，沪昆铁路北盘江特大桥钢筋混凝土拱桥最大跨径。大桥创新采用斜拉扣索调载和分环多工作面浇筑外包混凝土工法，使得劲性骨架法施工钢筋混凝土拱桥向更大跨度调整做出了巨大贡献。

图6 云桂铁路南盘江特大桥

2017年成贵铁路西溪河特大桥240m是我国高铁首座钢管混凝土转体拱桥。主桥为240m的上承式钢管混凝土拱桥新结构，属我国高铁转体桥梁的最大跨度。

2018年成贵铁路鸭池河特大桥首座钢-混组合拱桥，桥面以上拱肋腹杆采用钢结构，桥面以下为钢筋混凝土结构。是世界上跨径最大的中承式空腹钢混结合提篮式拱桥。鸭池河特大桥在桥跨和结构上均有多项创新，对世界同类桥梁的设计施工具有指导性意义。

2018年建成主跨370m的渝黔高铁夜郎河特大桥是“提篮式”钢管混凝土拱桥。不同于常规提篮拱桥，该桥主桥创新采用X形“提篮式”拱桥设计，使得箱形拱肋腹板均为竖向结构。

2020年建成郑万铁路梅溪河大桥，全长687.8m，主跨达到340m，是目前国内首座跨度最大的高铁无砟轨道拱桥，也是整个西南山区第一条时速达到350km的高速铁路。

2020年建成川藏铁路藏木雅鲁藏布江特大桥，主跨430m中承式拱桥，为避免高原强紫外线对钢材涂装的损伤，减小养护、维修工作量，主拱钢材采用高性能免涂装耐候钢。

目前，在建的川藏铁路拱桥有主跨400m的钢桁拱桥-东久曲特大桥，主跨500m的钢管混凝土拱桥-金沙江特大桥，主跨310m的中承式钢桁拱桥-藏布大桥，主跨230m的钢筋混凝土拱列衣大桥，都充分地体现了拱桥在山地铁路桥梁的优势，也代表了铁路山地拱桥的发展方向。

21世纪的20多年来，这些拱桥的建成，使我国迈入了大跨度铁路拱桥建设的世界先进行列。中国铁路建造技术取得了举世瞩目的成就，展望未来，随着中国经济的发展，铁路拱桥将取得更大的发展。