拱式橋

拱式橋是用拱作為橋身主要承重結構的橋，拱橋主要承受軸向壓力，可用磚、石、混凝土等抗壓性能良好的材料建造。具有跨越能力較大；與鋼橋及鋼筋梁橋相比，可以節省大量鋼材和水泥；養護、維修費用少；外型美觀；構造較簡單，有利於廣泛採用等特點。

基本介紹

• 中文名：拱式橋
• 外文名：arch bridge
• 拼音：gong shi qiao
• 受力特點：主要內力是軸向壓力
• 種類：雙曲拱橋、桁架拱橋等

發展

拱橋，在橋樑的發展史上曾經占有重要地位，迄今為止，已有三千多年的歷史，並因其形態美、造價低、承載潛力大而得到廣泛的套用。在拱橋發展的早期，生產力發展水平十分低下，其發展十分緩慢。

國外的石拱橋鼎盛於古羅馬時代。現存較為著名的兩座石拱橋為Pout-du-Gard橋和Alcantara橋。前者建於公元14年，由三層半圓拱組成，其中底層6拱、中層11拱、頂層33拱，總長達270m；後者建於公元98年，共有16個半圓拱，跨徑從13.5m到28.2m不等。

拱橋在中國也有著悠久的歷史。早在公元前282年就有了關於石拱橋的文字記載，考古發現公元前250年周末的墓穴中就有了磚拱。修建於公元606年的河北趙縣安濟橋代表著中國古代石拱橋建造的最高成就。安濟橋跨徑37.4m，矢高7.23m，寬約9m，在跨度方面曾保持記錄達1350年之久，且至今保存完好。

文藝復興時期以後，特別是18世紀的工業革命以來，科學技術有了長足的進步，橋樑建設也逐步開始走上了科學的道路。這一時期的拱橋在各個方面都得到了空前的發展。具有代表性的大跨度鋼拱橋有3座：悉尼港大橋（503m，澳大利亞，1932年）、Bayanne橋（503.6m，美國，1931年）和New River Gorge橋（518.3m，美國，1976年）。

世界上第一座鋼筋混凝土拱橋建於1898年。目前，在跨度方面，萬縣長江大橋（420m，中國，1986年）為同類之最。

世界上最大的石拱橋---湖南鳳凰烏巢河橋 ，跨度120米，1990年建成。

各個時期特點

早期

1、拱橋的設計、建造以經驗為主；

早起拱形橋

2、所用的材料多為石材；

3、結構形式以圓弧、實腹式拱橋為主。

文藝復興時期

1、數學和力學逐漸在設計中起主導作用，設計理論臻於完善；

文藝復興時期拱形橋

2、結構形式多樣化，擺脫了上承式實腹拱的單一模式，使拱橋的表現力更加豐富；

3、所用的建築材料也不再局限於石材。

近現代

1、強度高塑性好、耐高溫

近現代拱形橋

2、耐腐蝕、抗衝擊性能好

種類

主要的結構形式有雙曲拱橋、桁架拱橋以及一些組合體系的拱橋。隨著計算力學的發展和對材料性能認識的不斷深入，其它形式的橋樑也在不斷地發展。

拱橋按其結構體系分為：

簡單體系拱橋

在簡單體系拱橋中，拱橋的傳力結構不與主拱形成整體共同承受荷載。橋上的全部荷載由主拱單獨承受，它們是橋跨結構的主要承重構件。拱的水平推力直接由墩台或基礎承受。

簡單體系拱橋

1、主拱構造。石板拱寬跨比不應小於1/20，石料規格一般採用料

石、塊石、片石等各種類型。根據受力特點，主拱的構造應滿足下列要求：拱石受壓面應選擇較大的平整面，並使拱石的大頭向上，小頭向下，受壓面的砌縫應與拱軸線相垂直；當拱厚較大時，宜採用2～4層砌築，並應縱橫錯縫，錯縫間距不小於100mm；砂漿砌縫寬度不應大於20～30mm；拱圈與墩台及寬腹式拱墩連線處，應採用特製的五角石，以改善連線處的受力狀況。

2、拱上建築構造。拱上建築按其採用的構造方式，可分為實腹式和空腹式兩種。

實腹式拱上建築由拱腔填料、側牆、護拱和橋面系等部分組成，一般適用於小跨徑拱橋。

空腹式拱上建築最大的特點在於具有腹孔和腹孔墩。腹孔有拱式腹孔、梁（板）式孔兩種形式。腹孔跨徑不宜過大，一般不大於主拱跨徑的1/8～1/15，同時腹孔的構造應統一。

3、細部構造。為了防止不規則裂縫的出現，需在相對變形較大的位置設定伸縮縫，相對變形較小的位置設定變形縫。橋面系均應在相應位置設定伸縮縫或變形縫，以適應主拱的變形。

實腹式拱橋的伸縮縫通常設在兩拱腳的上方，並需在橫橋方向貫通全寬及側牆的全高。目前多將伸縮縫做成直線形，以使構造簡單，施工方便。

對於空腹式拱橋，當採用拱式腹孔時，一般將緊靠墩台的第一個腹拱做成三鉸拱，並在靠墩台側拱鉸上方的側牆內設定伸縮縫，其餘拱鉸上方可設變形縫。

組合體系拱橋

組合體系拱橋一般由拱和梁、桁架或剛架等兩種以上的基本結構體系組合而成，拱橋的傳力結構與主拱按不同的構造方式形成整體結構，以共同承受荷載。根據構造方式及受力特點，組合體系拱橋可分為桁架拱橋、剛架拱橋、桁式組合拱橋和拱式組合體系橋等四大類。

組合體系拱橋

1、桁架拱橋又稱拱形桁架橋，是由拱和桁架兩種結構體系組合而成。

2、剛架拱橋也是一種有推力的拱橋。其主結構由拱肋構成主拱，拱上建築取斜腿剛構．的形式，並聯結成整體，故名剛架拱橋。剛架拱橋的外形與桁架拱橋相似，但構造比桁架拱橋簡單，整個橋跨沒有豎桿，只有少量的斜桿（跨徑小於30m時，可不設斜桿）剛架拱橋的上部結構由剛架拱片、橫向聯結系和橋面系等部分組成。

桁架拱橋和剛架拱橋均屬於整體型上承式拱橋。

3、桁式組合拱橋是由兩端的懸臂桁架梁和中段的桁架拱組成的拱梁組合體系，也是一種有推力結構。主孔桁架一般採用斜桿式，可分為三角形式、斜壓桿式和斜拉桿式三種，其中斜拉桿式是大跨徑預應力混凝土桁式組合拱橋常用的形式。

桁式組合拱橋主跨是由兩端的懸臂桁架、中段的桁架拱片、橫向聯結系和橋面系等部分組成，主孔下弦桿的曲線一般採用二次拋物線形，矢跨比一般在1/6～1/9。當邊孔採用桁式拱時，應根據主跨與邊跨水平推力接近的原則來確定矢跨比。桁式組合拱上下弦桿一般採用閉合的箱形截面，較為剛勁，所以拱片間距不宜過小，對於雙車道橋樑，一般採用兩片桁式拱片。

4、拱式組合體系橋是將拱肋和系桿組合起來，共同承受荷載，可充分發揮各構件的材料強度。拱式組合體系橋可做成有推力和無推力兩種形式，也可以做成上承式、中承式或下承式三種形式。一般無推力中、下承式的拱式組合體系橋使用較多，無推力的拱式組合體系橋常稱為系桿拱橋，一般由拱肋、吊桿（或立柱）、系桿、橫向聯結系和橋面系等組成，根據拱肋和系桿（梁）相對剛度的大小，可劃分為柔性系桿剛性拱、剛性系桿柔性拱和剛性系桿剛性拱三種體系。目前出現的大跨徑系桿拱橋大多採用鋼筋混凝土或鋼管混凝土結構，除單跨外，更多的是三跨飛燕式。

結構特點

橋跨的承載結構以拱圈或拱肋為主。

拱式橋在豎向荷載作用下。兩拱腳處不僅產生豎向反力，還產生水平反力。

由於水平推力的作用使拱中的彎矩和剪力大大地降低。設計合理的拱主要承受拱軸壓力，拱截面內彎矩和剪力均較小，因此可充分利用石料或混凝土等抗壓能力強而抗拉能力差的圬工材料。由此可見，拱式橋是鋼筋混凝土橋和圬工橋最合理的結構形式之一。拱式橋是推力結構，其墩台基礎必須承受強大的拱腳推力。因此拱式橋對地基要求很高，適建於地質和地基條件良好的橋址。

優缺點

優點

跨越能力較大；與鋼橋及鋼筋梁橋相比，可以節省大量鋼材和水泥；能耐久，且養護、維修費用少；外型美觀；構造較簡單，有利於廣泛採用。

缺點

由於它是一種推力結構，對地基要求較高；對多孔連續拱橋，為防止一孔破壞而影響全橋，要採取特殊措施或設定單向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工程造價；在平原區修拱橋，由於建築高度較大，使兩頭的接線工程和橋面縱坡量增大，對行車極為不利。

發展方向

隨著拱式橋的發展，在中小跨度方面，人們有了更多的選擇；在大跨度方面，拱橋的競爭性明顯弱於斜拉橋和懸索橋。圬工拱橋不便於實現工廠化施工，施工周期較長，相應的費用較高。同時，圬工材料儘管適合承壓，但其自重相對於許用應力而言較大，因而不適於用作大跨度橋樑。高強鋼材儘管抗壓和抗拉強度都較高，但拱結構以受壓為主，而高強鋼材和普通鋼材的彈性模量幾乎相同，所以在提高構件穩定承載力方面，高強鋼材並無多大的優越性。在同樣的條件下，鋼拱橋的經濟指標往往遜於斜拉橋和懸索橋。由於受施工和材料方面的雙重限制，古老的拱橋面臨著生存的危機。

因此，拱式橋若要更好的發展，需要找尋新的施工材料，而隨著科技的高速發展，現如今鋼管鋼材在全世界範圍內已得到廣泛的套用，鋼管混凝土橋也會漸漸代替原來的石拱橋。鋼管混凝土將會成為未來拱式橋的主要材料。