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作者 | 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　提到石拱橋，大傢的第一反應都是“古代橋梁”。

　　的確，在現代，懸索橋和斜拉橋的橋型可以輕松應對上千米的跨度，但是，許多路段並沒有那麼長的跨度，人們需要更加經濟的施工方案，況且懸索橋和斜拉橋都需要很高的橋塔，在許多場合並不適用，而且，千篇一律的現代橋型也並不美觀。所以，石拱橋在現代依然有用武之地。

　　丹河大橋就是這樣一座石拱橋，它的材料是古老的石材，設計創意也來自古老的拱形，但是在現代設計和建造方法的指導下，它又擁有瞭現代橋梁的質量和美感。

丹河大橋

（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。這裡位於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化的白雲巖，硬度很高，而且內部沒有大的斷裂構造，丹河的上遊有水庫調節，常年水流不大。這樣的地段很適合進行大跨度石拱橋的建設。

　　丹河大橋始建於1997年，並於2000年建成，橋上為雙向四車道高速公路，設計時速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多幅表現晉城市歷史文化的石雕圖畫與近300個傳統的石獅子組成，體現瞭現代與傳統文明的完美結合。

丹河大橋上的石獅子

（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構，腹拱由14個等跨徑腹拱組成空腹式斷面，腹拱墩橫向挖空，既減輕拱上建築重力，又增加結構的透視與美學效果。

　　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10段砌築而成，砌縫采用40號小石子混凝土逐環合攏。

　　石材看似古老，但實則具有很高的抗壓強度。盡管其由於缺乏抗拉能力，結構組成復雜，自重大等原因而在現代建築中使用不多，但在拱橋結構中卻可以揚長避短，發揮很好的作用。

　　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化為單純的壓力，傳遞給橋基。在這種模式下，適當的壓力不僅不會破壞橋拱中的石材，反而有助於石材之間的咬合，讓大橋更加穩固。

　　為瞭減少拱上荷載，大橋設計采用輕質填料——蒸壓粉煤灰加氣混凝土。填料不起主要承重作用，因此對強度要求不高。加氣混凝土的幹密度低，質量輕，彈性系數大，很適合作為填料使用。而且，它的吸水少而慢，內部不易發生凍融破壞，適用於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築成本。

　　在丹河大橋的人行道內側還采用瞭混凝土防撞墻，外側采用石質工藝欄桿，橋梁側面采用主拱圈及人行道出簷措施，增加瞭橋梁的美學效果。

　　作為世界上跨境最大的石拱橋，丹河大橋的修建中遇到瞭許多關鍵的技術問題。為此，項目的施工和設計方專門主持瞭特大跨徑石拱橋設計與施工關鍵技術研究，與高校和研究所合作，完成瞭一系列的實驗和模擬。

　　研究人員在實驗室內建造瞭1:10的大橋模型進行瞭實體試驗，驗證瞭大橋的抗荷載、抗震和抗風等一系列性能。針對丹河大橋的研究填補瞭國內高標號小石子混凝土砌體物理力學性能指標的空白，為大跨徑、高荷載石橋設計與施工提供瞭成功的范例，同時也大大豐富瞭中國石拱橋的科技內涵。

丹河大橋立面圖

（三）拱橋的施工難點：拱架與拱圈的配合

　　拱橋的施工方法與一般橋梁不同，橋拱的穩固依賴於拱砌塊之間的相互擠壓，將彎矩和剪力轉化為軸向力，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。

　　事實上，拱橋的施工難點恰恰就在這裡。

拱橋的原理

　　由於溝深，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鍵。

　　經過多種選擇，丹河大橋最終采用瞭結構受力明確、穩定性與安全度高、施工速度快、設備重復利用率高的空間排架式鋼拱架。拱架采用鋼木聯合結構，高度近80米。拱盔部分采用圓松木排架與弓形木及模板構成。卸架設備則采用瞭傳統的單木楔與組合木楔完成。

鋼拱架示意圖

　　上世紀60、70年代是中國石拱橋發展的高峰期，那時的石拱橋跨徑通常在100米左右，由於跨徑不大，設計難度較低，加之當時國內的設計水平所限，因此在設計、施工的過程中考慮的因素不多。在結構計算中，很少考慮施工過程、拱架變形對結構的影響，隻針對拱圈進行計算，致使計算的內力難以反映結構真實情況，導致結構存在安全隱患。另一方面，由於傳統的計算過程中不計拱圈形成中自身受力產生的有利影響，又致使拱架被迫設計得非常龐大，不夠經濟。

　　丹河大橋的主跨達146米，相比起100米左右的石拱橋，其各項荷載、受力和設計標準要達到2-3倍，這要求大橋的計算更加精密，施工更加嚴格。

　　大橋的拱圈分為5環，由內向外逐級施工。經過計算，當內圈拱建好後，事實上可以作為承重結構分擔一部分的拱架壓力。工程師們在拱架的設計中考慮瞭拱架與內層拱圈的聯合作用，節約瞭拱架材料。

　　對於主拱圈以及拱上建築的砌築，丹河大橋摒棄瞭傳統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，提高瞭施工效率，施工預先經過瞭仿真模擬計算，整個施工過程均處於嚴密而科學的控制之中。這使得丹河大橋的主拱圈施工僅用瞭短短4個月時間，各項工程指標都達到瞭設計理想狀態。

大橋的頻率振型示意圖

　　石拱橋的抗震性能是一個弱項，工程師們經過細致的分析計算，將大橋的主拱圈寬跨比設計為1:6.1，遠大於經驗中的臨界比例1:20。這意味著大橋的面外穩定性良好，在拱上建築與拱圈的聯合作用下，當大橋受到橫向的地震力作用時，其整體的安全性能很高。

結語

　　丹河大橋已經作為世界最長的石拱橋載入瞭吉尼斯世界紀錄。如今，這種既古老又現代，既美麗又實用的結構形式正在重新進入工程師們的視野，豐富瞭中國石拱橋的科技內涵，同時也為人類的建築藝術補充更加多樣的元素。

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