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　　作者 | 須臾千秋，清華大學(xué)土木工程博士

　　提到石拱橋，大家的第一反應(yīng)都是“古代橋梁”。

　　的確，在現(xiàn)代，懸索橋和斜拉橋的橋型可以輕松應(yīng)對上千米的跨度，但是，許多路段并沒有那么長的跨度，人們需要更加經(jīng)濟(jì)的施工方案，況且懸索橋和斜拉橋都需要很高的橋塔，在許多場合并不適用，而且，千篇一律的現(xiàn)代橋型也并不美觀。所以，石拱橋在現(xiàn)代依然有用武之地。

　　丹河大橋就是這樣一座石拱橋，它的材料是古老的石材，設(shè)計創(chuàng)意也來自古老的拱形，但是在現(xiàn)代設(shè)計和建造方法的指導(dǎo)下，它又擁有了現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和美感。

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　　（一）世界跨度最大的石拱橋在山西

　　山西晉城丹河大橋位處太行山脈南端，橫跨晉城市郊丹河。這里位于太行山腳的低山丘陵地帶，河谷常年受水切蝕較深，呈U型河谷，兩岸裸露的基巖是微風(fēng)化的白云巖，硬度很高，而且內(nèi)部沒有大的斷裂構(gòu)造，丹河的上游有水庫調(diào)節(jié)，常年水流不大。這樣的地段很適合進(jìn)行大跨度石拱橋的建設(shè)。

　　丹河大橋始建于1997年，并于2000年建成，橋上為雙向四車道高速公路，設(shè)計時速80km/h，是山西晉城到河南焦作高速公路的一部分。它的橋梁全長413.17米，主孔凈跨徑146米、凈矢高32.444米、橋面寬度24.8米、橋梁高度80.6米，是世界上跨徑最大的石拱橋。

　　它的橋梁欄桿由200多幅表現(xiàn)晉城市歷史文化的石雕圖畫與近300個傳統(tǒng)的石獅子組成，體現(xiàn)了現(xiàn)代與傳統(tǒng)文明的完美結(jié)合。

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　　（二）不僅僅是裝飾，拱橋的石材講究多多

　　丹河大橋采用全空腹式變截面懸鏈線無鉸石板拱結(jié)構(gòu)，腹拱由14個等跨徑腹拱組成空腹式斷面，腹拱墩橫向挖空，既減輕拱上建筑重力，又增加結(jié)構(gòu)的透視與美學(xué)效果。

　　石材在丹河大橋中不僅僅是一種裝飾材料，而且要起到主拱承重的核心作用。大橋的主拱圈采用36-60厘米厚的100號粗料石，分5環(huán)10段砌筑而成，砌縫采用40號小石子混凝土逐環(huán)合攏。

　　石材看似古老，但實(shí)則具有很高的抗壓強(qiáng)度。盡管其由于缺乏抗拉能力，結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，自重大等原因而在現(xiàn)代建筑中使用不多，但在拱橋結(jié)構(gòu)中卻可以揚(yáng)長避短，發(fā)揮很好的作用。

　　拱橋的受力模式主要是壓力，拱圈上受到的橋梁自重和車輛荷載不會像普通直橋那樣形成很大的彎矩，而是會被彎曲的拱圈轉(zhuǎn)化為單純的壓力，傳遞給橋基。在這種模式下，適當(dāng)?shù)膲毫Σ粌H不會破壞橋拱中的石材，反而有助于石材之間的咬合，讓大橋更加穩(wěn)固。

　　為了減少拱上荷載，大橋設(shè)計采用輕質(zhì)填料——蒸壓粉煤灰加氣混凝土。填料不起主要承重作用，因此對強(qiáng)度要求不高。加氣混凝土的干密度低，質(zhì)量輕，彈性系數(shù)大，很適合作為填料使用。而且，它的吸水少而慢，內(nèi)部不易發(fā)生凍融破壞，適用于中國北方的寒冷工況。此外，這種材料的原料來源廣泛，價格低廉，可以有效降低大橋的建筑成本。

　　在丹河大橋的人行道內(nèi)側(cè)還采用了混凝土防撞墻，外側(cè)采用石質(zhì)工藝欄桿，橋梁側(cè)面采用主拱圈及人行道出檐措施，增加了橋梁的美學(xué)效果。

　　作為世界上跨境最大的石拱橋，丹河大橋的修建中遇到了許多關(guān)鍵的技術(shù)問題。為此，項(xiàng)目的施工和設(shè)計方專門主持了特大跨徑石拱橋設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)研究，與高校和研究所合作，完成了一系列的實(shí)驗(yàn)和模擬。

　　研究人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建造了1:10的大橋模型進(jìn)行了實(shí)體試驗(yàn)，驗(yàn)證了大橋的抗荷載、抗震和抗風(fēng)等一系列性能。針對丹河大橋的研究填補(bǔ)了國內(nèi)高標(biāo)號小石子混凝土砌體物理力學(xué)性能指標(biāo)的空白，為大跨徑、高荷載石橋設(shè)計與施工提供了成功的范例，同時也大大豐富了中國石拱橋的科技內(nèi)涵。

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　　（三）拱橋的施工難點(diǎn)：拱架與拱圈的配合

　　拱橋的施工方法與一般橋梁不同，橋拱的穩(wěn)固依賴于拱砌塊之間的相互擠壓，將彎矩和剪力轉(zhuǎn)化為軸向力，然而在最上面的拱圈合龍之前，拱橋是沒有支撐自身的能力的，這時候就需要拱架來支撐暫未建成的拱圈。

　　事實(shí)上，拱橋的施工難點(diǎn)恰恰就在這里。

　　（拱橋的原理）

　　由于溝深，谷陡，跨徑大，采用何種形式的支架施工成為丹河大橋成敗的關(guān)鍵。

　　經(jīng)過多種選擇，丹河大橋最終采用了結(jié)構(gòu)受力明確、穩(wěn)定性與安全度高、施工速度快、設(shè)備重復(fù)利用率高的空間排架式鋼拱架。拱架采用鋼木聯(lián)合結(jié)構(gòu)，高度近80米。拱盔部分采用圓松木排架與弓形木及模板構(gòu)成。卸架設(shè)備則采用了傳統(tǒng)的單木楔與組合木楔完成。

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　　上世紀(jì)60、70年代是中國石拱橋發(fā)展的高峰期，那時的石拱橋跨徑通常在100米左右，由于跨徑不大，設(shè)計難度較低，加之當(dāng)時國內(nèi)的設(shè)計水平所限，因此在設(shè)計、施工的過程中考慮的因素不多。在結(jié)構(gòu)計算中，很少考慮施工過程、拱架變形對結(jié)構(gòu)的影響，只針對拱圈進(jìn)行計算，致使計算的內(nèi)力難以反映結(jié)構(gòu)真實(shí)情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在安全隱患。另一方面，由于傳統(tǒng)的計算過程中不計拱圈形成中自身受力產(chǎn)生的有利影響，又致使拱架被迫設(shè)計得非常龐大，不夠經(jīng)濟(jì)。

　　丹河大橋的主跨達(dá)146米，相比起100米左右的石拱橋，其各項(xiàng)荷載、受力和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到2-3倍，這要求大橋的計算更加精密，施工更加嚴(yán)格。

　　大橋的拱圈分為5環(huán)，由內(nèi)向外逐級施工。經(jīng)過計算，當(dāng)內(nèi)圈拱建好后，事實(shí)上可以作為承重結(jié)構(gòu)分擔(dān)一部分的拱架壓力。工程師們在拱架的設(shè)計中考慮了拱架與內(nèi)層拱圈的聯(lián)合作用，節(jié)約了拱架材料。

　　對于主拱圈以及拱上建筑的砌筑，丹河大橋摒棄了傳統(tǒng)的纜索吊裝與扒桿施工的方法，而是采用兩臺塔吊直接吊裝施工，提高了施工效率，施工預(yù)先經(jīng)過了仿真模擬計算，整個施工過程均處于嚴(yán)密而科學(xué)的控制之中。這使得丹河大橋的主拱圈施工僅用了短短4個月時間，各項(xiàng)工程指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計理想狀態(tài)。

　　（大橋的頻率振型示意圖）

　　石拱橋的抗震性能是一個弱項(xiàng)，工程師們經(jīng)過細(xì)致的分析計算，將大橋的主拱圈寬跨比設(shè)計為1:6.1，遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)中的臨界比例1:20。這意味著大橋的面外穩(wěn)定性良好，在拱上建筑與拱圈的聯(lián)合作用下，當(dāng)大橋受到橫向的地震力作用時，其整體的安全性能很高。

　　結(jié)語

　　丹河大橋已經(jīng)作為世界最長的石拱橋載入了吉尼斯世界紀(jì)錄。如今，這種既古老又現(xiàn)代，既美麗又實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式正在重新進(jìn)入工程師們的視野，豐富了中國石拱橋的科技內(nèi)涵，同時也為人類的建筑藝術(shù)補(bǔ)充更加多樣的元素。

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　　編輯| 史文慧