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作者 | 须臾千秋，清华大学土木工程博士

　　提到石拱桥，大家的第一反应都是“古代桥梁”。

　　的确，在现代，悬索桥和斜拉桥的桥型可以轻松应对上千米的跨度，但是，许多路段并没有那么长的跨度，人们需要更加经济的施工方案，况且悬索桥和斜拉桥都需要很高的桥塔，在许多场合并不适用，而且，千篇一律的现代桥型也并不美观。所以，石拱桥在现代依然有用武之地。

　　丹河大桥就是这样一座石拱桥，它的材料是古老的石材，设计创意也来自古老的拱形，但是在现代设计和建造方法的指导下，它又拥有了现代桥梁的质量和美感。

丹河大桥

（一）世界跨度最大的石拱桥在山西

　　山西晋城丹河大桥位处太行山脉南端，横跨晋城市郊丹河。这里位于太行山脚的低山丘陵地带，河谷常年受水切蚀较深，呈U型河谷，两岸裸露的基岩是微风化的白云岩，硬度很高，而且内部没有大的断裂构造，丹河的上游有水库调节，常年水流不大。这样的地段很适合进行大跨度石拱桥的建设。

　　丹河大桥始建于1997年，并于2000年建成，桥上为双向四车道高速公路，设计时速80km/h，是山西晋城到河南焦作高速公路的一部分。它的桥梁全长413.17米，主孔净跨径146米、净矢高32.444米、桥面宽度24.8米、桥梁高度80.6米，是世界上跨径最大的石拱桥。

　　它的桥梁栏杆由200多幅表现晋城市历史文化的石雕图画与近300个传统的石狮子组成，体现了现代与传统文明的完美结合。

丹河大桥上的石狮子

（二）不仅仅是装饰，拱桥的石材讲究多多

　　丹河大桥采用全空腹式变截面悬链线无铰石板拱结构，腹拱由14个等跨径腹拱组成空腹式断面，腹拱墩横向挖空，既减轻拱上建筑重力，又增加结构的透视与美学效果。

　　石材在丹河大桥中不仅仅是一种装饰材料，而且要起到主拱承重的核心作用。大桥的主拱圈采用36-60厘米厚的100号粗料石，分5环10段砌筑而成，砌缝采用40号小石子混凝土逐环合拢。

　　石材看似古老，但实则具有很高的抗压强度。尽管其由于缺乏抗拉能力，结构组成复杂，自重大等原因而在现代建筑中使用不多，但在拱桥结构中却可以扬长避短，发挥很好的作用。

　　拱桥的受力模式主要是压力，拱圈上受到的桥梁自重和车辆荷载不会像普通直桥那样形成很大的弯矩，而是会被弯曲的拱圈转化为单纯的压力，传递给桥基。在这种模式下，适当的压力不仅不会破坏桥拱中的石材，反而有助于石材之间的咬合，让大桥更加稳固。

　　为了减少拱上荷载，大桥设计采用轻质填料——蒸压粉煤灰加气混凝土。填料不起主要承重作用，因此对强度要求不高。加气混凝土的干密度低，质量轻，弹性系数大，很适合作为填料使用。而且，它的吸水少而慢，内部不易发生冻融破坏，适用于中国北方的寒冷工况。此外，这种材料的原料来源广泛，价格低廉，可以有效降低大桥的建筑成本。

　　在丹河大桥的人行道内侧还采用了混凝土防撞墙，外侧采用石质工艺栏杆，桥梁侧面采用主拱圈及人行道出簷措施，增加了桥梁的美学效果。

　　作为世界上跨境最大的石拱桥，丹河大桥的修建中遇到了许多关键的技术问题。为此，项目的施工和设计方专门主持了特大跨径石拱桥设计与施工关键技术研究，与高校和研究所合作，完成了一系列的实验和模拟。

　　研究人员在实验室内建造了1:10的大桥模型进行了实体试验，验证了大桥的抗荷载、抗震和抗风等一系列性能。针对丹河大桥的研究填补了国内高标号小石子混凝土砌体物理力学性能指标的空白，为大跨径、高荷载石桥设计与施工提供了成功的范例，同时也大大丰富了中国石拱桥的科技内涵。

丹河大桥立面图

（三）拱桥的施工难点：拱架与拱圈的配合

　　拱桥的施工方法与一般桥梁不同，桥拱的稳固依赖于拱砌块之间的相互挤压，将弯矩和剪力转化为轴向力，然而在最上面的拱圈合龙之前，拱桥是没有支撑自身的能力的，这时候就需要拱架来支撑暂未建成的拱圈。

　　事实上，拱桥的施工难点恰恰就在这里。

拱桥的原理

　　由于沟深，谷陡，跨径大，采用何种形式的支架施工成为丹河大桥成败的关键。

　　经过多种选择，丹河大桥最终采用了结构受力明确、稳定性与安全度高、施工速度快、设备重复利用率高的空间排架式钢拱架。拱架采用钢木联合结构，高度近80米。拱盔部分采用圆松木排架与弓形木及模板构成。卸架设备则采用了传统的单木楔与组合木楔完成。

钢拱架示意图

　　上世纪60、70年代是中国石拱桥发展的高峰期，那时的石拱桥跨径通常在100米左右，由于跨径不大，设计难度较低，加之当时国内的设计水平所限，因此在设计、施工的过程中考虑的因素不多。在结构计算中，很少考虑施工过程、拱架变形对结构的影响，只针对拱圈进行计算，致使计算的内力难以反映结构真实情况，导致结构存在安全隐患。另一方面，由于传统的计算过程中不计拱圈形成中自身受力产生的有利影响，又致使拱架被迫设计得非常庞大，不够经济。

　　丹河大桥的主跨达146米，相比起100米左右的石拱桥，其各项荷载、受力和设计标准要达到2-3倍，这要求大桥的计算更加精密，施工更加严格。

　　大桥的拱圈分为5环，由内向外逐级施工。经过计算，当内圈拱建好后，事实上可以作为承重结构分担一部分的拱架压力。工程师们在拱架的设计中考虑了拱架与内层拱圈的联合作用，节约了拱架材料。

　　对于主拱圈以及拱上建筑的砌筑，丹河大桥摒弃了传统的缆索吊装与扒杆施工的方法，而是采用两台塔吊直接吊装施工，提高了施工效率，施工预先经过了仿真模拟计算，整个施工过程均处于严密而科学的控制之中。这使得丹河大桥的主拱圈施工仅用了短短4个月时间，各项工程指标都达到了设计理想状态。

大桥的频率振型示意图

　　石拱桥的抗震性能是一个弱项，工程师们经过细致的分析计算，将大桥的主拱圈宽跨比设计为1:6.1，远大于经验中的临界比例1:20。这意味着大桥的面外稳定性良好，在拱上建筑与拱圈的联合作用下，当大桥受到横向的地震力作用时，其整体的安全性能很高。

结语

　　丹河大桥已经作为世界最长的石拱桥载入了吉尼斯世界纪录。如今，这种既古老又现代，既美丽又实用的结构形式正在重新进入工程师们的视野，丰富了中国石拱桥的科技内涵，同时也为人类的建筑艺术补充更加多样的元素。

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