拱桥的建筑历史悠久,是最古老的桥型之一,在桥梁建筑中占有重要地位,被广泛应用于大、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。
拱式桥
在竖直平面内以承受轴向压力的拱圈(图1)或拱肋(图2)作为结构主要承重构件的桥梁。
- 英文名称
- arch bridge
- 所属学科
- 土木工程
拱桥建筑历史悠久。古代拱桥主要是石拱桥,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。该桥为敞间圆弧石拱,拱圈并列28道,净跨37.02米,矢高7.23米。世界上最大跨度的石拱桥是1946年瑞典建成的绥依纳松特桥,主跨155米。
早在1874年,美国建成了第一座钢拱桥,即跨越密西西比河的圣路易斯桥。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;2003年在中国上海建成的跨越黄浦江的卢浦大桥,是一座城市道路钢箱拱桥,跨度达550米。2012年在中国重庆建成的跨越长江的朝天门大桥,则是一座连通城市道路与轨道交通的钢桁系杆拱桥,跨度达552米。
20世纪上半叶,钢筋混凝土拱桥拱圈的施工方法从费用昂贵的落地支架现浇改成较为经济的木制或钢制的拱形支架现浇,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,跨度纪录达264米。20世纪50年代至70年代出现的悬臂拼装和悬臂灌筑的施工方法,使大跨度钢筋混凝土拱桥得到进一步发展。如1966年南斯拉夫社会主义联邦共和国用悬臂浇筑法建成拱跨246.3米的希贝尼克桥。1980年建成的拱跨390米的南斯拉夫克尔克I桥,为上承式无铰拱公路、管道两用桥,拱圈为单箱三室截面,采用预制构件悬臂拼装施工。1997年建成的主跨420米的重庆万县长江大桥,拱圈采用钢管混凝土劲性骨架外包C60高强混凝土,钢管混凝土劲性骨架在拱圈形成后成为混凝土拱圈内的劲性钢筋,是当时世界上跨径和规模最大的钢筋混凝土拱桥。2016年建成的沪昆高铁北盘江大桥,主跨445米,截至2017年,为世界上最大跨度的钢筋混凝土拱桥。
20世界30年代,苏联建成了跨度110米的公路钢管混凝土拱桥和跨度140米的铁路钢管混凝土拱桥,但钢管混凝土拱桥真正的发展是在20世纪90年代的中国。中国第一座钢管混凝土拱桥是1990年建成的四川旺苍东河大桥,跨径110米。据不完全统计,中国已建和在建的钢管混凝土拱桥约有400多座,其中跨径超过200米的已有50多座。1995年,广东三山西大桥是第一座跨径超过200米的钢管混凝土拱桥,也是第一座飞燕式拱桥。飞燕式拱桥通过张拉系杆来平衡主拱所产生的大部分水平推力,大大降低了平原或软基地区拱桥下部与基础的工程量与造价,且造型美观,在中国得到了迅速发展,相继建成的有武汉市江汉五桥、江苏徐州京杭运河大桥、南昌市生米大桥等,2000年建成跨径组合76米+360米+76米的丫髻沙大桥,更是把这一桥型推上了一个新的台阶。2013年建成的合江长江一桥,主跨530米,截至2017年,是世界上最大跨度的钢管混凝土拱桥。截至2019年12月,全球已建成的跨度前10位的拱桥有7座在中国,其余3座中的2座在美国、1座在澳大利亚(见表)。
序号 | 建成年代 | 桥 名 | 跨径/米 | 主拱材料 | 主拱结构 | 国家 |
1 | 2009 | 朝天门大桥 | 552 | 钢材 | 桁架 | 中国 |
2 | 2003 | 卢浦大桥 | 550 | 钢材 | 箱拱 | 中国 |
3 | 2013 | 合江长江一桥 | 530 | 钢和混凝土 | 钢管混凝土 | 美国 |
4 | 1977 | 新河谷大桥 | 518 | 钢材 | 桁架 | 美国 |
5 | 1931 | 贝纳大桥 | 504 | 钢材 | 桁架 | 澳大利亚 |
6 | 1932 | 悉尼港大桥 | 503 | 钢材 | 桁架 | 中国 |
7 | 2005 | 巫山长江大桥 | 460 | 钢和混凝土 | 钢管混凝土 | 中国 |
8 | 2011 | 明州甬江大桥 | 450 | 钢材 | 箱拱 | 中国 |
9 | 2012 | 肇庆西江大桥 | 450 | 钢材 | 箱拱 | 中国 |
10 | 2016 | 北盘江大桥 | 445 | 钢和混凝土 | 钢筋混凝土 | 中国 |
按照桥面与拱肋的关系,拱桥可分为上承式拱桥(桥面在拱肋的上方)、中承式拱桥(桥面一部分在拱肋的上方,一部分在拱肋的下方)与下承式拱桥(桥面在拱肋的下方)。
按照拱轴线型式可分为圆弧拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥。圆弧拱桥是拱圈轴线按部分圆弧线设置的拱桥,其优点是构造简单,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20米的圬工拱桥。抛物线拱桥和悬链线拱桥是拱圈轴线按抛物线或悬链线设置的拱桥,优点是弯矩小,材料省,跨越能力较大。
按照结构体系可分为:简单体系拱桥、组合体系拱桥。简单体系拱桥的主拱圈为主要受力结构,在竖向荷载作用下拱脚不但有竖向反力,还有水平推力作用,适用于地基良好的场地。组合体系拱桥是将主拱圈和梁按不同方式构造成一整体,主拱圈和梁共同承受外荷载。组合体系拱桥分为拱脚有推力和无推力两种形式,拱脚无推力的组合体系拱桥,其水平推力由梁承受,属于内部超静定、外部静定的组合体系拱桥,适用于地质不良的场合。
按照建筑材料的不同可分为圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥和钢管混凝土拱桥。圬工拱桥是用石料或素混凝土材料建造的拱桥,可以就地取材,以降低造价,缺点是自重大,跨越能力有限,一般用于小跨径桥梁。钢筋混凝土拱桥是主拱采用钢筋混凝土建造的拱桥,其优点是加工和制造较石拱桥方便,工期短,跨越能力大。钢拱桥是上部结构用钢材建造的拱桥类型,其优点是跨越能力大,自重轻,适用于大跨度桥梁。钢管混凝土拱桥是拱肋采用钢管混凝土建造,将钢管内填充混凝土,利用钢管约束混凝土,改善混凝土性能,钢管兼有纵向主筋和横向套箍的作用,同时可作为施工模板,方便混凝土浇筑。此外,钢管混凝土可作为外包混凝土拱桥的劲性承重骨架,将重达几万吨的混凝土逐渐施加到劲性骨架上,达到增大跨度的目的。
按照拱圈截面可分为板拱桥、肋拱桥、双曲拱桥及箱形拱桥等。板拱桥的拱圈整体矩形实体截面,横向整体性较好,截面高度小,构造简单,施工方便,但截面抗弯惯性矩较小,一般用于地基条件较好的中小跨度拱桥。肋拱桥的拱圈由两条或两条以上分离的拱肋组成,拱肋之间用横系梁(或横隔板)联结成整体,使拱肋共同受力并增强拱肋的横向稳定性。因其抗弯惯性矩较大,用料较省,故广泛应用于大中跨径拱桥,拱肋的截面形式有矩形、工字形、箱形,管形(钢管混凝土肋拱、钢桁架肋拱)等,其中矩形、工字形和箱形拱肋多用钢筋混凝土或钢材制成。箱形拱桥的拱圈横截面为整体多室箱(箱形板拱)或分离式单(多)室箱肋(箱形肋拱),可用钢筋混凝土、钢材建造,截面挖空率高,自重轻,抗弯、抗扭性能及整体性、横向稳定性好,可承受正负弯矩,且应力分布较均匀,因此尤适用于无支架施工的大、中跨度拱桥。双曲拱桥的拱圈由纵向拱肋和横向拱波组成,主拱圈的形式有单波、多波、多波高低肋等,拱肋截面有矩形、倒T形、I形、L形、薄壁箱形等;相比单曲拱能承受更大的载荷,且充分发挥了预制装配的优点,施工中不需要拱架,从而能够节省材料、加快进度。