拱桥

用拱圈或拱肋作为主要承重结构的桥梁(图1)。拱桥在铅垂荷载作用下,其拱圈主要受压,支承拱圈的墩台不仅承受垂直力,而且还要承受水平推力,称为推力式拱桥;如在拱圈两端间连一拉杆以承受拱的水平推力,而墩台只承受竖直力时,则称为无推力式拱桥,习称系杆拱桥(见组合体系桥)。

图

拱桥为桥梁的基本体系之一,建筑历史悠久,外形优美,古今中外名桥遍布各地,在桥梁建筑中占有重要地位。它适用于大、中、小跨公路或铁路桥,尤宜跨越峡谷,又因其造型美观,也常用于城市、风景区的桥梁建筑。

自19世纪中叶以来,随着钢铁和混凝土建筑材料的出现,石拱桥已逐步为钢拱和钢筋混凝土拱桥所代替。拱桥结构向轻型结构发展,并逐步打破传统的上承式石拱桥的型式,创造出新型的拱桥。拱桥的拱圈发展成为分离式肋拱,桥面发展成轻型板梁式结构,借立柱支承于拱肋之上(上承式),或用吊杆悬挂于拱肋之下(下承式)。当地势或受桥梁建筑高度限制时,还可作成中承式拱桥(图2)。拱桥可以是单跨,也可以作成多跨。

图 分类

(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

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。目前世界上跨度超过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。

目前,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。目前,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。(见彩图)

南斯拉夫克尔克桥,目前世界上跨度最大(390米)的钢筋混凝土公路拱桥,1980年建成 中国拱桥

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。目前,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。

图3 渡口宝鼎桥

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。目前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。(见彩图)

湖北黄陵矶桥,预应力混凝土悬臂桁架梁公路桥,主跨90米,1979年建成 钱塘江桥,中国自己建造的第一座现代化公铁两用双层钢桁架梁桥,全长1453米
参考书目
  1. 唐寰澄:《桥》,中国铁道出版社,北京,1981。
  2. 平井 敦:《鋼橋》Ⅲ,技報堂,東京,1967。

参考文章