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1、 拱桥具有很长的历史，是桥梁的主要结构形式之一。跨径、材料适应性强，在世 界各地、各个时期得到大量的修建，其中有众多成为宝贵的文化遗产和当地的象征。 今天，拱桥在美观和经济上仍具有很强的优势，随着不断的技术创新，在新的历史 条件下，焕发出新的生机。 拱桥的技术在我国的原始创新也最多，桥梁中所占比例较大。2007 年，在我 国 53 万座桥梁中占 34.5%。林元培院士在一本桥梁工程教材的序言中指出“改 革开放以来，我国桥梁事业突飞猛进，中国的斜拉桥与拱桥已进入国际先进行列”。 日本东京大学名誉教授、原国际桥梁协会主席伊藤学在 2006 年接受桥梁杂志 记者采访时说：“中国的拱桥水平非常高，我对
2、拱桥的技术十分钦佩。这点可能与中 国拱桥悠久的历史渊源有关。中国的石拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥，都是世界第一。 这些桥在设计、施工上都下了很大工夫”。郑皆连院士指出：“拱桥是我们不应忽视 的国粹”。项海帆院士认为，“山区地形和地质条件有利时，更应优先考虑经济性更 好的拱桥，慎用甚至不用价格昂贵、施工复杂、主缆又不能更换的悬索桥”。 s ?5 x8 0 l5 e6 N2 8 w 克罗地亚开展了跨径为 432m、 500m、 750m 甚至 1000m 的超高性能混凝土拱桥的 相关研究。我国也开展了跨径为 160m、520m 和 600m 的超高性能混凝土拱桥的试 设计研究，并进行了两个模型拱的受力
3、全过程试验研究(图 9)，试验研究活性粉末混 凝土拱桥的受力性能。研究表明，主拱自重比普通混凝土拱减轻 3040%，受力性 能相似，但开裂弯矩、极限承载力等均有大幅度提高，应用于大跨度拱桥具有极好 的可行性。 . C) l( g$ a5 n/ D o (a) 模型拱 R1 (b)模型拱 R2 图 9 活性粉末混凝土模型拱试验$ ! ?+ e M* k7 Q) u) |( Q H 2.结构体系的创新* O% + b: L; E 结构体系创新的一个常用且有效的方法是将拱结构和其他结构组合产生新的结构形 式。拱可以与简支梁、桁梁、连续梁、连续刚构梁、斜拉索等组合，以适应不同的 建设需要。近年来，我国
4、高速铁路中，将钢管混凝土拱与连续梁或连续刚构组合， 修建了大量的组合拱桥，既施工方便，又能适应高铁对桥梁刚度的要求。当拱与混 凝土梁组合时，为减轻系梁的自重，文献提出了采用钢腹板 PC 梁的概念，也是拱 结构体系的一个有益的改进。近年来，捷克的 Strasky 教授提出了将悬带与拱相结 合的一种新桥型悬带拱。在这种桥型中，悬带由拱支撑或悬吊，刚度加大，悬 带产生的水平拉力通过混凝土斜撑与拱的水平推力相平衡。这种结构十分轻巧，下 挠的悬带与上拱的拱结构，曲线柔美、和谐，在景观人行桥上具有很强的竞争力。 图 10 为捷克布尔诺市拉特卡河上的悬带拱人行桥，建成于 2007 年，跨径 42.90m，
5、矢跨比 1/16.19。) , k W( n r8 Q* 0 , u* Z% t+ 图 11:美国底特律的大门桥 矢跨比是拱的重要参数，它不仅影响拱的受力，也影响着拱桥的外观。古代石拱桥 通常采用较大的矢跨比甚至半圆弧拱。然而，现代的建筑师们更青睐坦拱，如葡萄 牙的的 Infant Henrique 桥（矢跨比 1/11.2）,法国巴黎的 Passerelle Lopold- Sdar-Senghor 桥（矢跨比 1/15.14）和威尼斯的宪法桥（矢跨比 1/16，图 12） 。0 G$ f. a! D B) y( A3 v 图 12 威尼斯宪法桥4 Y u) e, b p 众所周知，将拱肋向
6、内倾斜可以形成稳定结构提篮拱。和该种结构相反，近年 来出现了将拱肋向外倾斜、形成反传统的令人惊艳的结构形式的趋势。结构的空间 稳定性由从拱肋锚固到刚性桥面板上的吊杆提供。 图 13 为新加坡的三座该类型的拱 桥。 2 2 R0 P0 m- Y$ Y （a）罗拔申桥 （b）若锦桥 （c）亚历山大桥 图 13 新加坡三座人行拱桥$ . b Y* P+ T 2013 年，作者主持设计了一座跨径 25m 人行桥的设计，集悬带拱、外倾拱、钢管 混凝土主拱于一体(图 14)。该桥位于福州大学校园中轴线上，作为学校 55 周年校 庆的一个新建筑物，基于校园景观桥梁的定位，综合环境因素和场地条件，在满足 功能
7、要求、经济合理的同时，取得了很好的景观效果。 图 14 福州大学校园景观桥 3.钢-混凝土组合拱 新结构主拱采用钢混凝土组合结构，可充分利用钢的强度和混凝土的刚度。目前， 这种结构在拱桥中的应用主要是钢管混凝土拱桥，且主要在中国。除了钢管混凝土 外，是否还可以有其他的形式呢？福州大学提出了钢腹板（杆）混凝土组合拱， 主拱截面是由混凝土顶、底板和钢腹板（杆）组成的箱形截面，与国内多家科研与 工程单位合作， 在西部交通科技项目、 科技部国际合作项目等支持下， 开展了试设计、 模型拱试验和受力性能研究（图 15） 。研究表明，新桥型主拱自重比混凝土拱可减 轻 30左右。施工时，由于混凝土腹板被钢构件
8、代替，可免除腹板模板的布设、浇 筑混凝土等施工工序，可缩短近三分之一的拱圈浇筑的施工周期，该桥型的应用是 可行的，目前正在寻找依托工程实施。 G z! $ : V f- W3 m8 u 图 15: 钢腹板（杆）混凝土组合箱拱模型试验照片 重庆交通大学提出了钢箱混凝土组合拱桥。它在受正弯矩较大的拱顶段，采 用钢箱和顶板上的钢筋混凝土组成的截面，见图 16。除满足受力要求外，施工时采 用竖转法时可先架设钢箱， 自重减轻， 然后浇筑顶上混凝土， 因而使得施工难度减小。 为此，开展了钢箱混凝土组合梁的受力性能研究和竖向转体施工法研究，并已在 几座桥梁中应用。+ N: y. s4 ( N 图 16 钢箱
9、混凝土组合拱截面示意图 m7 T4 r5 D+ 中铁大桥院在鸭池河铁路特大桥时，主桥采用 436m 中承式拱，拱肋拱脚段为 钢筋混凝土（基本位于桥面以下） 、拱顶段采用钢桁结构（基本位于桥面以上） ，称 之为钢混凝土结合拱桥（也可称之为钢混凝土混合拱） ，改善了结构受力、方便 了施工，为大跨径拱桥提供了一种新的桥型选择。 4.拱上建筑轻型化 拱上建筑向轻型化发展，是现代混凝土拱桥的一个发展趋势。2000 年以来国外修建 的一些大跨度混凝土拱桥，拱上建筑采用了钢混凝土组合桥面系，如美国的迈 克奥卡拉汉-帕特蒂尔曼纪念大桥（图 2） 、德国的 Wilde Gera 桥、法国的 Chateaubri
10、and 桥和 Morbihan 桥和日本的富士川桥。以克罗地亚的 Skradin 桥（原 名 Krka 桥，图 17）为例，跨径 204m，采用钢混凝土组合桥面系，重量仅 0.94 t/m2，而相近跨径的 Maslenica 桥，采用预应力混凝土梁桥面系，重量达 1.64 t/m2，两者相比，前者比后者桥面自重减轻了 42%。5 q/ 7 n; x. b# B9 Q; ? 5 5 j6 m+ ! ?* D. w2 U 图 17 克罗地亚 Skradin 桥2 T* a3 h7 I W7 U( S 以 420m 跨径的万县长江大桥为背景工程，文献48开展了桥道系连续化、采 用组合结构拱上建筑轻型
11、化研究。与原设计在静力性能和地震响应分析的比较结果 表明，桥道系连续化对减轻拱上建筑自重的效率较低，其静力性能与抗震性能提高 不大；采用组合结构可使得拱上建筑自重减轻 35，减小了承载能力状态下拱圈内 力和地震响应， 具有相当的可行性。 另有研究表明， 采用超高性能混凝土的拱上建筑， 取得的效果与钢混凝土组合结构拱上建筑的效果相似。 5.施工技术发展 e 另一种适用于小跨径拱桥的施工创新，与结构创新联系在一起。它是由美国缅 因大学提出，采用外包 FRP 管、内填混凝土组成拱肋截面，称之为外包加劲组合拱 (IRCA)， 本文则称之为 FRP 管混凝土拱， 以与我国大量应用的钢管混凝土拱相呼应。
12、FRP 管很轻，在现场可由二三名工人使用轻型施工设备快速成型并安装就位，填筑 管内混凝土形成上部结构，总耗时在一小时内。快速的施工方法将会减少人工费。 外包加劲组合拱(IRCA)可在军事紧急施工情况下、向灾区运送救援物资时使用。图 19 给出了模型试验结构破坏和现场施工的照片。4 p; Y; M4 H8 e: K( C/ G (a)模型试验破坏照片(b)现场安装照片3 t+ S, w7 A* J# 5 s1 r# m5 I 图 19 FRP 管混凝土拱 系杆拱桥常用的施工一般需要分为拱和梁进行，因此施工方法有先梁后拱或先 拱后梁，但施工期较长。对于跨河桥，水上运输条件许可时，采用整体预制施工，
13、 能大大缩短工期。对于跨线桥，整体预制施工法实施难度较大。2013 年，美国德克 萨斯州运输部，通过采用系杆拱，减轻了预制混凝土系杆拱的整体结构自重，然后 用大型的自行式移动运输车运输结构(图 20)，就位后，两台相同的吊装能力为 154t 特大起重机在相距 29m 处将拱圈在旧桥的两边吊装就位。0 Q1 w# U( E; R3 X) i) Z! # i6 l # 1 ! c; j6 A 图 20 预制混凝土网状系杆拱整体运输 2000 年以来，拱桥继续在世界各地修建，高速铁路中的应用尤为明显；大跨桥拱桥 不断出现，且跨径有所突破；在材料、结构、施工方法等方面的技术创新不断，如 高性能的、 超
14、高性能混凝土材料的应用， 悬带拱、 钢腹板 （杆） 混凝土组合拱等新结 构的提出，快速施工方法的发明等。上期，本刊刊登了2000 年以来世界拱桥的发 展与技术创新一文的上部分，介绍了钢拱桥、混凝土拱桥和钢混凝土组合拱桥， 自 2000 年以来的建设情况、技术创新的内容，本期继续刊登该文对于今后拱桥的 发展方向内容部分。5 h$ u N/ s1 c: m0 p& X 发展方向发展方向 工程应用工程应用 拱桥在历史上曾最主要的大跨度桥型，在世界范围内得到广泛的应用，在我国更是 如此。 随着高强、 大跨索结构的发展， 拱桥的跨越能力已相对下降。 在跨径超过 300m 的桥梁中，一般情况下斜拉桥具有更
15、强的竞争能力。而在 200m 跨径以下，现代预 应力连续刚构因其施工优势而受到欢迎。因此，拱桥的竞争能力已较过去有很大的 削弱。应该说，作为引领桥梁技术进步的拱桥时代已经过去。然而，拱桥仍然是重 要的桥型之一。 对于广大的山区、海岛等地区和地质条件好的桥位，拱桥仍是具有很强竞争力的桥 型， 如前述我国的合江长江一桥。 对于活载比重较大、 动力问题较为突出的高速铁路， 拱桥的优势更显突出。前述的几座大跨度拱桥，大部分是高速铁路上的桥梁，如中 国的大胜关大桥、北盘江大桥、南盘江大桥、宜宾金沙江公铁两用桥、鸭池河大桥。 印度的 Chenab 桥，西班牙的 Almonte 大桥。德国近年在修建高速铁路
16、 VDE8 柏林 联接纽伦堡和慕尼黑的线路中，也大量采用了混凝土拱桥。在一段跨越森林的线路 中，29 座跨谷桥梁有 10 座采用了混凝土拱（跨径为 90m 到 270m）。 具体到三种桥型，混凝土拱桥因自重大，主要仍将应用在地质条件较好的地区，在 200m 以下，施工技术较为成熟，材料与结构创新将提高其经济跨径。钢拱桥由于 强度高，自重轻，跨越能力强，施工难度小，在超大跨度应用时最具优势，如超大 跨度的高速铁路拱桥，或地质条件较差的大跨度拱桥。此外，在造型景观要求较高 的人行桥、景观桥中，钢拱桥对特殊结构的适应性强、施工难度小，也仍将有大量 的应用。对于钢管混凝土拱桥，它仍将在我国得到不断的应用。同时，国外的应用 也在增加，近期美国内布拉斯加州公路局也采用钢管混凝土系杆拱桥，通过使用
