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拱桥

拱桥(arch bridge)指的是在竖直平面内以拱作为结构主要承重构件的桥梁。arch在容器内的粉料层中如果形成能承受上方粉料的压力而不将此压力传递给下方的面,此面即称为拱桥。拱桥是向上凸起的曲面,其最大主应力沿拱桥曲面作用,沿拱桥垂直方向的最小主应力为零。在重力作用下进行的粉料流出过程中可能反复出现拱桥的形成和崩解过程,此种拱桥称为动拱桥。

中国的拱桥始建于东汉中后期,已有一千八百余年的历史。它是由伸臂木石梁桥、撑架桥等逐步发展而成的。在形成和发展过程的外形都是曲的,所以古时常称为曲桥。在古文献中,还用“”、“”、“窦”、“瓮”等字来表示拱。

拱桥。造型优美,曲线圆润,富有动态感。单拱的如北京颐和园玉带桥,拱券呈抛物线形,桥身用汉白玉,桥形如垂虹卧波。多孔拱桥适于跨度较大的宽广水面,常见的多为三、五、七孔,著名的颐和园十七孔桥,长约150米,宽约6.6米,连接南湖岛,丰富了昆明湖的层次,成为万寿山的对景。河北赵州桥的“敞肩拱”是中国首创,在园林中仿此形式的很多,如苏州东园中的一座。

我国建造拱桥的历史要比以造拱桥著称的古罗马晚好几百年,但我国的拱桥却独具一格。形式之多,造型之美,世界少有。有驼峰突起的陡拱,有宛如皎月的坦拱,有玉带浮水的平坦的纤道多孔拱桥,也有长虹卧波、形成自然纵坡的长拱桥。拱肩上有敞开的(如大拱上加小拱,现称空腹拱)和不敞开的(现称实腹拱)。拱形有半圆、多边形、圆弧、椭圆、抛物线、蛋形、马蹄形和尖拱形,可说应有尽有。

孔数上有单孔与多孔,多孔以奇数为多,偶数较少,多孔拱桥,如果当某孔主拱受荷时,能通过桥墩的变形或拱上结构的作用将荷载由近及远的传递到其它孔主拱上去,这样的拱桥称为连续拱桥,简称连拱;江浙水乡的三、五、七、九孔石拱桥,一般是中孔最大,两边孔径依次按比例递减,桥墩狭薄轻巧,具有划一格局,令人钦佩。由于桥孔搭配适宜,全桥协调匀称,自然落坡既便于行人上下,又利于各类船只的航运。杭州市城北的拱辰桥是三孔的一例,建于明崇祯四年(1631年)。有的桥孔多达数十孔,甚至超过百孔,如1979年发现的徐州景国桥,就有104孔,估计它是明清桥梁。多跨拱桥又有连续拱和固端拱,固端拱采用厚大桥墩,在华北、西南、华中、华东等地都可见到,连续拱只见于江南水乡。按建拱的材料分有石拱、木拱、砖拱、竹拱和砖石混合拱。

以承受轴向压力为主的拱圈拱肋作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成。拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造;大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造,以承受发生的力矩。按拱圈的静力体系分为无铰拱、双铰拱、三铰拱。前二者为超静定结构,后者为静定结构。无铰拱的拱圈两端固结于桥台,结构最为刚劲,变形小,比有铰拱经济,结构简单,施工方便,是普遍采用的形式,但修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承,结构虽不如无铰拱刚劲,但可减弱桥台位移等因素的不利影响,在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方,可采用双铰拱桥。三铰拱则是在双铰拱的拱顶再增设一铰,结构的刚度更差些,拱顶铰的构造和维护也较复杂,一般不宜作主拱圈。拱桥按结构形式可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱。拱桥为桥梁基本体系之一,一直是大跨径桥梁的主要形式。拱桥建筑历史悠久,20世纪得到迅速发展,50年代以前达到全盛时期。古今中外名桥(如赵州桥卢沟桥悉尼港桥克尔克桥等)遍布各地,在桥梁建筑中占有重要地位,适用于大、中、小跨径的公路桥和铁路桥,更因其造型优美,常用于城市及风景区的桥梁建筑。

拱桥是我国最常用的一种桥梁型式,其式样之多,数量之大,为各种桥型之冠,特别是公路桥梁,据不完全统计,我国的公路桥中7-为拱桥。由于我国是一个多山的国家,石料资源丰富,因此拱桥以石料为主。建于公元1990年,跨径120m的湖南乌巢河大桥,是当今世界跨径第一的石拱桥。我国建造的钢筋混凝土拱桥的形式更是繁花似锦,式样之多当属世界之最,其中建造得比较多的是箱形拱、双曲拱、肋拱、桁架拱、刚架拱等,它们大多数是上承式桥梁,桥面宽敞,造价低廉 [1]

箱形拱主要用于大跨径。重庆涪陵乌江大桥,跨径200米,是我国已建成的最大跨径的箱形拱,跨径420米的万县长江大桥正在设计中,它将是世界最大跨径的钢筋混凝土拱桥。双曲拱是我国首创并不断改进的一种新型钢筋混凝土拱桥,它发源于江苏无锡,遍步各地,最大跨径当推河南前河大桥,跨径150米;桁架拱是在软土地基上为了减轻自重、改善拱上建筑与主拱圈共同作用,藉桁架原理逐步发展起来的一种轻型钢筋混凝土拱桥,适用于中小跨径桥梁。当采用了预应力措施和悬臂拼装的方法,就形成一种悬臂组合桁架拱桥,正在建造的贵州江界河大桥,主跨330米,是国内最大跨径的在建拱桥。四川宜宾小南门大桥为跨径240米的中承式肋拱,是我国该种桥型的最大跨径。刚架拱桥是从简化拱上建筑着眼,利用斜撑将桥面最不利荷载位置的荷载传至拱脚,以改善主拱的受力,在江苏无锡建成了跨越大运河的三座跨径100米的钢筋混凝土刚架拱。在我国也建有一定数量的下承式钢筋混凝土肋拱,其中有的是系杆拱或刚拱刚梁组合拱,后者是跨径100m米的中承式无铰拱;我国还修建了一些钢拱桥及斜腿刚架桥

我国在建造钢筋混凝土拱桥的实践中进行了拱轴线优化,混凝土徐变对混凝土拱内力重分布影响、连拱计算、拱桥荷载横向分布、各种形式拱桥的设计计算理论的创立与完善、组合装配式混凝土拱桥的施工控制等研究。为了适应在软土地基上建造混凝土拱桥,提出了组合桥台形式与其计算理论。在拱桥施工方法上也有所创新:如中小跨径拱桥以预制拱肋为拱架,少支架施工为主,或采用悬砌方法;大跨径拱桥则采取纵向分条,横向分段,预制拱肋,无支架吊装,组合拼装与现浇相组合的施工方法;此外,在采用无支架转体施工方法建造拱桥方面也有不少成功的经验。

①按拱圈(肋)结构的材料分:有石拱桥(见石桥)、钢拱桥、混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥。

②按拱圈(肋)的静力图式分:有无铰拱、双铰拱、三铰拱(见拱)。前二者属超静定结构,后者为静定结构。

无铰拱的拱圈两端固结于桥台(墩),结构最为刚劲,变形小,比有铰拱经济;但桥台位移、温度变化或混凝土收缩等因素对拱的受力会产生不利影响,因而修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承,铰可允许拱圈在两端有少量转动的可能。结构虽不如无铰拱刚劲,但可减弱桥台位移等因素的不利影响。三铰拱则是在双铰拱顶再增设一铰,结构的刚度更差些,但可避免各种因素对拱圈受力的不利影响。

钢拱桥多数采用上承式或中承式双铰拱形式。无铰拱因必须有坚固的地基,使其应用范围受到限制。世界上跨度超过300米以上的8座钢拱桥中,只有一座是无铰箱形肋拱桥,即美国尼亚加拉瀑布上的刘易斯顿-昆斯顿桥,建于1962年,拱跨304.8米。三铰拱因拱顶有铰,变形时有转折点,对高速行车不利,且顶铰构造复杂,维修不便,故只用于较小跨度的钢拱桥。钢拱桥的拱肋一般可作成桁架形、箱形或板梁形,分别称桁拱、箱拱和板拱。

早在1874年美国建成第一座钢拱桥,即跨越密西西比河的圣路易斯桥(见桥梁工程发展史)。1931年美国建成跨度503.6米的贝永桥,1932年澳大利亚建成跨度503米的悉尼港桥,均为双铰桁架拱。

第二次世界大战后,栓焊结构(用高强度螺栓连接焊接构件的结构)逐步得到广泛应用,箱形截面的结构得到了发展。拱桥也不例外。如1956年在加纳建成的阿多米桥,为下承式新月形双铰桁拱桥,拱跨245米,拱的弦杆采用纵向高强度螺栓连接。捷克斯洛伐克在1967年建成的兹达科夫桥,为双铰钢箱拱桥,拱跨为330米,两片箱形拱肋支承在伸出26米的钢筋混凝土桥台上。

另一座较著名的拱桥为瑞典1961年建成的阿斯克勒峡湾(Asker? Fjord)桥。该桥的拱肋和拱上立柱均采用管形截面,拱肋为工厂焊接的直径3.8米圆管,在工地铆接而成,拱上立柱为0.32~0.75米的无缝钢管。因桥址处于海湾口,风速高达150公里/时,采用管状结构可减少风荷载。桥宽仅9米,为保证结构的横向稳定,曾进行了风洞模型试验以确定合理的风荷载。两端的引桥桥墩均采用钢筋混凝土管柱结构,以求全桥协调统一,颇为美观。可惜该桥已于 1980年1月18日凌晨在雾中被货轮撞毁。 世界上最大跨度的钢拱桥是美国的新河峡谷桥,1977年建成,拱跨为518.2米,全长921米,桥面离峡谷底267米,桥面为公路4车道,是上承式双铰钢桁拱桥。

混凝土拱桥  是用混凝土代替石料修筑拱圈,其构造形式和石拱桥类同。钢筋混凝土拱桥  钢筋混凝土拱桥因铰的构造不易处理,多采用无铰拱,只在小跨度中使用双铰或三铰拱,以上承式或中承式居多。由于混凝土材料的可塑性,它比钢拱桥更易造型装饰,可建成各种造型的拱桥,如多跨的高架峡谷拱桥,不同曲线形(圆弧、椭圆、抛物线、悬链线等)的拱桥,以及脱离石拱桥传统形式的片拱、桁架拱等。

20世纪上半叶,钢筋混凝土拱桥的施工方法从费用昂贵的落地支架现浇拱肋改成较为经济的木制或钢制的拱形支架现浇拱肋,既节省了施工费用,又为跨越宽阔的深河峡谷开拓了应用范围,使跨度纪录达264米。50~70年代由于成功地采用了悬臂拼装和悬臂灌筑的施工方法,大跨度钢筋混凝土拱桥得到进一步发展。如1964年建成拱跨304.8米的澳大利亚悉尼港的格莱兹维尔桥,4个箱形拱肋和拱上结构(立柱、横梁、桥道纵梁)全部用预制构件拼装;1966年南斯拉夫用悬臂灌筑法建成拱跨246.3米的希贝尼克桥。世界上最大跨度的钢筋混凝土拱桥是1980年建成的拱跨390米的南斯拉夫克尔克桥,为上承式无铰拱公路、管道两用桥,拱肋为单箱三室截面,桥面下敷设了17条输油管、输水管和工业管道,采用预制构件,悬臂拼装施工.

中国拱桥建筑历史悠久。在古代桥梁中,以石拱桥为主要桥型。无论在山谷、丘陵、平原和水网地区,至今仍存在各种风采的石拱桥。

20世纪50年代以来,中国工业迅猛发展,采用不同材料、不同体系的拱桥也得到迅速发展。在铁路拱桥建设中,1956年建成包(头)兰(州)线东岗镇黄河单线上承式钢筋混凝土肋拱桥,拱跨为3孔53米。1959年建成詹(店)东(观)线丹河上承式钢筋混凝土拱桥,拱跨增至88米,两者均为两片工字形截面拱肋。中国目前最大跨度的钢筋混凝土铁路拱桥为1966年建成的丰(台)沙(城)线永定河7号桥,为单线中承式,拱跨150米,拱肋为箱形截面,采用钢拱架拼装施工。 在公路、城市桥梁建设中,如1959年建成湘潭市湘潭桥,为8孔60米上承式拱桥,横向布置6片高1.6米的工字形拱肋,桥宽21米。70年代后拱桥向更大跨度发展,主要采用预制拼装的钢筋混凝土拱桥,如四川省的拱跨150米的宜宾马鸣溪桥,即采用无支架缆索吊装施工。中国公路上最大跨度的钢筋混凝土箱形拱桥为建于1982年,拱跨170米的四川渡口宝鼎桥(图3),最大跨度的公路钢箱形拱桥为建于1966年的四川渡口市区金沙江桥,跨度180米。1969年建成的渡口密地栓焊桁架拱桥,跨度也是180米。

在60年代,为适应广大农村地区发展农业的要求,曾创建一种采用简易机具施工的双曲拱桥。该桥型的主要特点是:拱圈结构化整为零,采用分段拼装式波形拱肋截面,因其结构简单,制造容易,安装方便,形式轻巧,在公路和城市桥梁中曾一度得到广泛使用。如建于1972年的湖南长沙湘江桥,为8孔76米的钢筋混凝土双曲拱桥。随着建桥技术的进步,施工机具的改进,起重能力的提高,为求得拼装构件更好的整体性,必然会向较大的拼装单元发展。因此70年代后期至今,中国在大跨拱桥中,钢筋混凝土箱形拱占优势,而在中、小跨拱桥中,桁架拱桥颇有发展。桁架拱桥是将拱上结构和拱肋组成桁式结构,常用跨度为20~50米。钢筋混凝土桁架拱桥已达60米,如苏州市郊觅渡桥。但预应力混凝土桁架拱桥最大跨度已达150米,如1985年建成的贵州剑河公路桥,系带悬臂的预应力混凝土桁架拱桥。

中国现存最早,并且保存良好的是隋代赵州安济桥,又称赵州桥。桥为敞间圆弧石拱,拱圈并列28道,净跨37.02米,矢高7.23米,上狭下宽总宽9米。主拱券等厚1.03米,主拱券上有护拱石。在主拱券上两侧,各开两个净跨分别为3.8米和2.85米的小拱,以宣泄拱水,减轻自重。桥面呈弧形,栏槛望柱,雕刻着龙兽,神采飞扬。桥史建于隋.开皇十五年(公元595年), 完工于隋.大业元年(公元605年),距今已有1406年。安济桥制作精良,结构独创,造型匀称美丽,雕刻细致生动,列代都予重视和保护。

中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同,所以改造不同。北方大多为平桥(或平坡桥),实腹厚墩厚拱。南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。

北京宛平卢沟桥在北京广安门外30里,跨永定河。桥始建于金.大定二十八年(公元1188年),完工于金.明昌三年(公元1192年)。桥全长212.2米,共11孔,净跨不等,自11.4米至13.45米,桥宽9.3米。墩宽自6.5米至7.9米。拱券接近半圆形。桥墩迎水面有尖端镶有三角铁柱的分水尖,背水面为削角方形。桥面上石栏杆共269间,各望柱头上,雕刻有石狮。金代原物简单统一,自后历朝改换,制作精良,石狮形态各异,且有诸多小狮,怀抱背负,足抚口噙,趣味横生。桥上及华表柱上等的石狮子,已成为鉴赏重点,亦是统一变化的美学原则的具体应用。卢沟桥早已列为全国文物保护单位。

南方江浙一带水网地区,以周行为主。潮汐河流,软土地基,因此即使是石拱桥亦尽量减轻重量建造为薄墩薄拱。桥孔自单孔多到85孔(江苏吴江垂虹桥,已塌,尚存残孔8孔)。

薄拱的拱厚最小仅拱跨的1/66.7,而一般拱厚则为1/20左右。唐.张继《枫桥夜泊》名诗中的现存枫桥(清代建)也是薄拱。

薄墩之薄,相邻两拱券拱石相接,特别是三拱薄墩桥,中孔大、边孔小,两岸以踏步上桥。桥成驼峰形,造型美观。如浙江杭州拱宸桥,创建于明.崇祯四年(公元1631年),清.光绪十一年(公元1885年)重建。中孔净跨15.8米,两边孔各为11.9米。拱券石厚30厘米,为拱跨的1/52.7和1/39.7。中墩厚约1米,合大孔的1/15.8。现存最长的多孔薄拱薄墩连拱为江苏苏州

宝带桥始建于唐,历代多次重修,现存桥共计53孔,全长316.8米,中间有3孔隆起以通船只,桥宽4.1米。桥头建有石狮石亭、石塔。

中国古典园林中亦常见石拱桥,既起交通引路作用,更与园林景色有机结合,或是主景,或是衬景。如扬州瘦西湖中的,就是佳作。此桥也是我国现存唯一的"五亭桥"。

中国的木拱桥肇始自宋。宋代.张择端的《清明上河图》,在画面高峰处有都城汴京(现河南开封)跨汴水的一座木拱桥,名为虹桥。为了漕运,水中无桥墩,桥采用了宋.明道年间(公元1032至1033年)有一守卒子发明的"贯木"架桥,即大木穿插叠架为木拱。虹桥桥跨约18.5米,拱矢 约4.2米,桥面总宽9.6米。桥毁于金元之际,几百年来一直认为已是绝唱。近十多年来调查研究发现,随着北宋南迁,在今浙江、福建山区中有数十座古木拱桥,结构与虹桥相类似且有所改进,桥跨增加到35米左右。如浙江云和梅崇桥,桥建于清.嘉庆七年(公元1802年)。又如浙江泰顺县的泗溪溪东桥。桥长41.7米,跨径25.7米,矢 高5.85米,桥宽4.86米。桥上建有美丽的廊屋,为了保护木料,两侧钉有蓑衣式木板。桥始建于明.隆庆四年(公元1570年)。泰顺县的叶树阳桥竟存世511年。

虹桥等木拱结构为中国所独创,尚有其他别致的结构形式的竹木拱桥,亦与世界同类桥梁有异。

十七孔桥在颐和园中,这桥有十七个拱。此桥为仿制“卢沟桥”所建。

2009年4月29日,世界第一大跨径拱桥重庆朝天门长江大桥通车。它超越了上海卢浦大桥(主跨550米)。重庆朝天门长江大桥位于长江与嘉陵江交汇处,分为主桥、南北引桥、江北桥头立交、弹子石立交和黄桷湾立交以及引道等几大部分。大桥全长4.88公里,主桥跨径552米,为双层公轨两用桥,上层为双向6车道,下层是双向轻轨轨道。

按照拱上建筑的形式可以分为:实腹式拱桥及空腹式拱桥、组合体系式拱桥实腹式拱桥:是指拱上建筑作成实体结构,拱圈和主梁之间用石料或砌块填充的拱桥形式。优点是刚度比较大,构造简单,施工方便;缺
  点是随着桥梁跨径的增大,拱桥的自重迅速加大,无法作成较大跨径的拱桥。一般用在跨径较小的拱桥中,常用跨径为20-30m。空腹式拱桥:是指拱圈和主梁之间用立柱支撑。其优点是较实腹式拱桥轻巧,节省材料,外形美观,还有助于泄洪;缺点是施工比较麻烦,
  受力较复杂。一般用在大跨径的桥梁中。组合体系式拱桥:由拱和梁组成主要承重结构的拱桥。通常用钢筋混凝土或钢结构建造。兼有实腹式拱桥和空腹式拱桥的优点, 跨越能力较大。 一般用在大、中跨度的桥梁中。

按照拱轴线的型式可分为:圆弧拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥;

圆弧拱桥:

拱圈轴线按部分圆弧线设置的拱桥。优点构造简单,石料规格最少,备料、放样、施工都很简便;缺点是受荷时拱内压力线偏离拱轴线较大,受力不均匀。一般适用于跨度小于20m的石拱桥。

抛物线拱桥:

拱圈轴线按抛物线设置的拱桥,是悬链线拱桥的一种特例。优点是弯矩小,材料省,跨越能力较大;缺点是构造较复杂,如果是石拱桥则料石的规格较多,施工较不方便。

悬链线拱桥:

拱圈轴线按悬链线设置的拱桥。优点是受力均匀,弯矩不大,节省材料。多适用于实腹拱桥,大跨度的空腹拱桥中也常常采用这种线形布置。

按照有无水平推力可分为:有推力拱桥、无推力拱桥;

无推力拱桥:

在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用的拱桥。其推力由刚性梁或柔性杆件承受,属于内部超静定、外部静定的组合体系拱桥。适用于地质不良的桥位处,墩台与梁式桥基本相似,体积较大,只能做成下承式桥,建筑高度很小,桥面标高可设计的很低,降低纵坡,减小引桥长度,因此可以节约材料。但是,结构的施工比较复杂。

有推力拱桥:

在竖向荷载作用下拱脚对墩台有水平推力作用的拱桥。水平推力可减小跨中弯矩,能建成大跨度的桥梁。造型美观,城市桥梁一般优先选用,可做成上承式、中承式桥。缺点是,对地质要求很高,为防止墩台移动或转动,墩台须设计很大,施工较麻烦。

按照建筑材料的不同可分为:石拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥;

石拱桥:

用石料建造的拱桥,外形美观,养护简便,并可以就地取材,以减低造价。缺点是自重大,跨越能力有限,石料的开采、加工
  河砌筑均需要较多的劳动力,且工期较长。一般用于小跨径桥梁。

混凝土拱桥:

用混凝土建造的拱桥,包括素混凝土和钢筋混凝土两类。其优点是加工和制造较石拱桥方便,工期短;缺点是由于混凝土 抗拉 强度很低,故其跨越能力小,且混凝土耗费量大。一般用于小跨径桥梁。

钢拱桥:

上部结构用钢材建造的拱桥类型。其优点是跨越能力大,且自重是三种拱桥中最轻的;缺点是结构复杂,由于三铰拱钢拱桥一般 不用,所以对地基要求高,造价高,且维护费用高。适用于大跨度桥梁中。

按照铰的多少可分为:两铰、三铰、无铰。

三铰拱:

在拱冠与拱端处均设铰的拱桥,属于静定结构。优点是对混凝土收缩、徐变、温度变化,以及墩台位移不受影响,适用于地质条件差而要求修建大跨度桥的场合。缺点是结构复杂,施工麻烦,维护费用高,整体刚度差,由因三处设置铰,故对应的桥面处亦需设置构造缝;拱圈挠曲在铰处急剧变化,因而对行车不利。所以,我国仅在一些较小跨径的桥上采用。

两铰拱:

拱圈中间无铰而两端设铰与墩台铰接的拱桥,属于外部一次超静定结构。其优点是,拱脚处不承受弯矩,较无铰拱桥可减小混凝土收缩、徐变,温度变化,以及墩台位移的影响。缺点是,构造较复杂,对应的桥面处应设置构造缝,施工亦较麻烦,对地基要求比较高,但较无铰拱对地基要求略低。

无铰拱:

又称固端拱桥。拱圈两端嵌固在桥墩上而中间无铰的拱桥,属于外部三次超静定结构。优点是,较有铰拱桥桥内的弯矩分布合理,材料用量较省,结构刚度大,结构简单,施工方便,维护费用少,还可以将拱脚设计在洪水位以下,有利于降低桥面的设计标高,具有较好的经济与使用效益。缺点是,对混凝土收缩、徐变、温度变化,以及墩台位移最敏感,会产生附加应力,应建设在可靠的地基上。

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