拱桥在中国古代桥梁中有着举足轻重的地位。在现存的古代桥梁中,拱桥不仅在数量上占绝对优势,在技术工艺上也优于其它桥型,即使放到世界桥梁史中进行比较,中国古代拱桥,尤其是石拱桥技术也是一枝独秀。中国传统的拱桥修建技术,在吸纳了现代计算方法和现代施工工艺的基础上,得到了飞速发展,创造了多种新颖结构,使中国的拱桥技术始终站在世界前列。
拱桥是一弧形承重结构。多数学者认为,人类学会建造拱桥最初得益于自然界大量存在的天然拱。
拱桥在荷载作用下,支点处要产生水平推力。正是这个水平推力,使拱内产生轴向压力,并大大减小了跨中弯矩,使它的主拱截面材料强度得到充分发挥,跨越能力增大。
拱桥的型式多样,构造各异,按所使用的建筑材料可分为:污工(砖、石、混凝土)拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢拱桥,按拱仁建筑的型式可分为实腹式拱桥和空腹式拱桥,后者结构合理,自重轻,是大、中跨径拱桥的常用型式;按主拱轴线的线型可分为圆弧拱、抛物线拱及悬链线拱等,悬链线拱在荷载作用下,主拱圈截面弯矩最小,是常用的线型.按桥面位置可分为上承式拱桥,中承式拱桥和下承式拱桥,后两种适用于平坦地形,桥面标高受到限制的情况下,将主拱拱脚用系杆连接或与行车道系组合共同受力可形成系杆拱桥,此时支点即不再承受推力。中国工程界习惯于将拱桥按材料及结构型式分为:石拱桥、双曲拱桥、钢筋混凝土箱形拱桥、钢筋混凝土肋拱桥、钢筋混凝土拓架拱桥、钢筋混凝土刚架拱桥、钢管混凝土拱桥、系杆拱桥、钢拱桥。
石拱桥
现代石拱桥是圬土拱桥中的一支。在中国,由于石拱桥的数量、技术工艺、分布范围远远超过其它材料,石料的耐久性也优于其它圬工材料,因此,石拱桥几乎成为圬工桥梁的代名词。中国幅员辽阔,石料资源丰富,加之石拱桥具有就地取材、造价低廉和建造技术普及等特点,在许多地方,石拱桥仍有其不可替代的地位。20 世纪五十年代,国内钢材短缺,传统的石拱桥在全国大量修建,以缓解木梁桥承载能力差引起的交通压力。1958 年湖南省建成了一座空腹式石拱桥― 黄虎港大桥,跨径达60 米,不仅打破了赵州桥保持了千年以上的跨径纪录,也极大地激发了人们对现代石拱桥的建设热情。1 961 年,云南省建成的长虹桥,跨径达1 12 . 46 米,使石拱桥的跨径首次突破了百米大关,长虹桥是一座空腹无铰悬链线石板拱桥,矢跨比为l / 5.3 ,采用悬链线拱轴线型,改变了传统拱桥的建造和计算方法,是石拱桥得以发展的重要原因。
自长虹桥之后,各地先后建起了数座百米以上的石拱桥,其中著名的有四川省富顺沱江桥、重庆市九溪沟桥、湖南省乌巢河大桥,跨径分别达到110 米、116 米和120 米,矢跨比分别为l / 6.4 、l / 8 和l / 5 ,创造了世界纪录。即使到了20世纪末,各种现代桥型、现代建筑材料层出不穷的时候,石拱桥仍保持着它独特的魅力。2000 年,山西省建成世界最大跨径的石拱桥― 丹河大桥,这也是一座空腹无铰悬链线石拱桥,跨径146 米,是一座高速公路桥梁,石拱桥的生命力可见一斑。
20 世纪六十年代,曾出现过少用拱架的悬砌拱桥,即先在很窄的拱架上修建中间的基本拱肋,然后再利用已砌好的基本拱肋为支架,在其两侧用悬砌石块(或混凝土预制块)悬砌成全拱圈。
双曲拱桥
1964 年江苏省无锡县建桥工程队因地制宜,就地取材,继承传统的拱桥技术,创造了中国独有的双曲拱桥,并建造了第一座实验桥― 东拱桥。
双曲拱桥主拱圈的横截面是由数个小拱组成,使主拱圈在纵向和横向均呈曲线形,故称“双曲”拱桥。这样做不仅减少了拱圈用料,还增大了主拱的截面惯性矩,更重要的是它的拱圈是由拱肋、拱波、拱板、横隔板等小型构件预制装配而成,施工安装时“化整为零”,可以少用或不用拱架,减轻构件重量,只要将预制拱肋安装好后,预制拱肋就变成预制拱波和现浇拱板的支架。因此,双曲拱桥的施1 _ 速度很快,它为中国拱桥结构型式与安装方法的发展提出了一个新思路,对于水网地区改渡为桥起了很好的推动作用,特别是在装备条件差的小城镇和广大农村,它曾一度风靡。其中全长1532 米由8 孔跨径76 米和9 孔跨径50 米双曲拱组成的湖南省长沙湘江大桥,是修建最成功的双曲拱桥;主跨150 米的河南省前河大桥,是中国最大跨径的双曲拱桥。但将拱圈“化整为零”难免会带来在承重上起关键作用的拱圈整体性差并容易开裂的缺点,特别是随着桥梁荷载的增加,双曲拱桥的病害愈显突出,所以20世纪90年代后,已基本不再被采用。
钢筋混凝土箱型拱桥
主拱采用箱型截面的钢筋混凝土拱桥,其截面挖空率大、用料省、受力合理、抗弯和抗扭刚度大。它可以采用分箱、分段预制无支架法进行吊装,施工时稳定性好,是大跨径钢筋混凝土拱桥的一种比较经济、合理的型式。国内修建的钢筋混凝土拱桥绝大多数采用此桥型。1979 年建成的主跨150 米的四川省宜宾马鸣溪金沙江大桥,是国内用缆索吊机吊装施工的跨度最大的钢筋混凝土箱型拱桥;1989 年建成的重庆市涪陵乌江大桥,是一座用中国独创的转体施工建成的特大跨钢筋混凝土箱型拱桥,该桥主跨200 米,桥面在低水位以上86 米,它的建成,标志着对中国传统拱桥修建技术的新突破。1983 年在辽宁省丹东市建成的沙河桥,首次采用劲性钢骨架浇注法建成跨径156 米的中承式箱肋拱桥,这种工艺使钢筋混凝土拱桥的跨径向前迈进了一大步;1990 年,四川省宜宾市跨越金沙江的小南门大桥采用类似技术建成跨径240 米的中承式箱肋拱桥;1996 年又在广西壮族自治区建成邕江大桥,该桥为主跨312 米的中承式钢筋混凝土箱肋拱桥,创造了这一桥型的跨径纪录,施工中除了采用钢管混凝土劲性骨架法外,还采用了斜拉扣挂连续浇注的新工艺。1997 年建成的重庆市万县长江大桥,采用了420 米单孔上承式箱形拱桥跨越长江,施工中采用了钢管混凝土劲性骨架和钢绞线斜拉扣挂等多项新技术,该桥是目前世界上跨径最大的钢筋混凝土拱桥,它的建成,为中国桥梁建设史增添了光辉的一页。
在修建箱型拱的同时,各地还修建了一些矩形和工字形截面的钢筋混凝土肋拱桥,这种拱桥自重轻,用料少,特别适用于大、中桥。1996 年建成的主跨170 米的四川省盐源金河雅砻 江大桥,是中国最大跨径的上承式钢筋混凝土工字型肋拱桥。
钢筋混凝土桁架拱桥
桁架拱桥又称拱型桁架桥,其承重结构是由上弦杆、下弦杆、腹杆以及跨中实腹段所组成的桁架拱片。桁架拱综合了桁架和拱的优势,以承受轴向力为主,常采用钢筋混凝土材料。其混凝土用量与梁桥相近,少于同跨径的拱桥,钢筋用量少于同跨径的梁桥。由此可见,桁架拱桥是一种受力较合理、自重轻、用料省,适用于软土地基的桥型。
20 世纪六十年代至七十年代,在江苏、浙江、上海等江南水网软基地区,桁架拱桥发挥了它的优势并留下了不少精品,如浙江省的里仁桥,江苏省的觅渡桥,跨径分别达到了50 米和60 米,矢跨比均为1 / 8 ,为以后桁架拱桥向大跨径方向发展奠定了基础。但桁架拱桥也存在着节点次应力和混凝土拉杆易开裂等缺点;20 世纪八十年代以后,须应力技术在桁架拱桥中得以应用,解决了受拉杆件开裂的问题,使桁架拱桥的跨径不断加大。1985 年,贵州省建成一座组合桁架拱桥― 剑河大桥,最大跨径达到150 米,1991 年四川省又建成一座跨径160米的组合桁架拱桥一牛佛沱江大桥,这些大跨径桥梁的建造实践,为桁架拱桥的修建提供了宝贵的经脸,4 年以后贵州省江界河大桥以330 米的跨径雄踞世界钢筋混凝土桁架拱桥的榜首。
钢筋混凝土刚架拱桥
钢筋混凝土刚架拱桥是20 世纪七十年代发展起来的一种新的轻型钢筋混凝土拱桥。其特点是从简化拱上建筑着眼,利用斜撑将桥面位于拱的1 / 4 跨径处的最不利荷载传至拱脚,以改善主拱的受力。钢筋混凝土刚架拱桥特别适用于中小跨径桥梁。1985 年建成的广东省清远北江大桥,是中国规模最大的钢筋混凝土刚架拱桥,该桥全长1058 . 04 米,由3 x 45 + 8 x 70 + 4 x 45 米共15 孔刚架拱组成;1993 年建成的江西省德兴东安江太白大桥,将钢筋混凝土刚架拱桥的跨径提高到130 米,该桥左右半拱各在岸上做成,用水平转体施工法在江心合龙。
钢管混凝土拱桥
20 世纪九十年代初,中国开始修建钢管混凝土拱桥。所谓钢管混凝土,就是在薄壁钢管内填充混凝土,使两者共同工作的一种组合材料,其管内混凝土受到钢管的约束,处于三向受压状态,从而具有比普通混凝土大得多的承载能力和抗变形能力,而薄的钢管壁受到管内混凝土的约束,其稳定性也大为增强。钢管混凝土拱桥的主拱拱肋一般做成由上下两根钢管加中腹板组成的哑铃型截面,或由上下两根钢管加上其间的腹杆组成的桁架型拱肋。修建时,先制作和安装重量很轻的钢管拱,然后用混凝土泵充填管内混凝土,形成拱肋全断面。钢管同时发挥施工时的拱架、灌筑混凝土用的模板和建成后参与管内混凝土共同受力的三种作用,因此施工十分力便。钢管混凝土拱桥较好地解决了修建桥梁所要求的用料省、安装重量轻、施工简便、承载能力大的诸多矛盾,是大跨径拱桥的一种比较理想的型式。1990 年在四川省旺苍建成了跨径115 米的国内第一座钢管混凝土拱桥,其主拱为两根哑铃型拱肋,每肋由上下两根直径为80 厘米的钢管混凝土组成,两桥墩间设置系杆来承受拱肋的水平推力。在此后短短十几年内,已建成和在建的钢管混凝土拱桥已经超过百座。1998 年建成的跨径为270 米的广西壮族自治区三岸邕江大桥,是中国最大的中承式钢管混凝土桁架式肋拱桥;2000 年建成的跨径为360 米的广东省广州市丫髻沙珠江大桥,是中国最大的中承式钢管混凝土系杆拱桥,该桥首次选用6 管式桁架肋拱并采用竖转和平转相结合的方法施工;目前,跨径460 米的重庆市巫山长江大桥已开始修建,主桥为中承式钢管混凝土桁架肋拱,这将是一座创纪录的特大跨径钢筋混凝土拱桥。
系杆拱桥
在中国,下承式系杆拱桥出现较早,这种桥式多为钢筋混凝土结构,有柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱和刚性系杆刚性拱之分,拱肋的推力由系杆承受,墩台犹如梁桥只承受竖向压力,这就减轻了墩台的负担,特别适用于软地基。在20 世纪五六十年代,山东、江苏等地的运河上修建了数座这类桥梁,跨径一般在50 米左右。陕西省略阳还建成了一座3 跨的下承式系杆拱桥,3 跨跨径也均为50 米。20 世纪八十年代以后,中承式系杆拱桥开始出现,它由一个主跨和两个边跨组成,系杆从主跨的中间穿过拉在两个上承式半拱构成的边跨的端部,外形酷似飞鸟,故又称飞鸟式拱桥。其传力方式的拉力通过两个边跨传到桥墩,以平衡主跨拱的水平推力。由于这种桥型造型美观、跨径大、适应性强,故很快在全国推广应用,已建和在建的这种桥型已达20 余座,特别在一些城市桥梁中采用较多,其最大跨径要数广州市的丫髻沙大桥。
钢拱桥
在安装和跨越能力方面,钢拱桥要优于钢筋混凝土拱桥。中国在20 世纪九十年代后期成为世界最大产钢国以前,钢材相对较少,在桥梁上的应用受到一定限制,特别在公路上,钢拱桥修建得很少。1969 年建成的四川攀枝花渡口大桥、密地桥,前者是跨径为180 米的钢箱拱桥,后者是跨径为181 米的钢桁架拱桥,是目前中国跨径最大的钢拱桥;正在修建的跨径550 米的上海市卢浦大桥,是一座中承式钢箱肋系杆拱桥,建成之后将成为世界上最大的钢拱桥。
中国拱桥历史悠久,式样绚丽多姿,精彩纷呈,结构型式和建造方法丰富多彩,令当今世界所瞩目。其技术的发展来自于中国人对拱的理解和灵感,这种理解和灵感则来源于自赵州桥以后的千百年的沉淀。技术和经验的传承,理论和实践的光大,是中国拱桥始终走在世界前列的原因。