拱式桥的发展

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1、拱式桥的发展 拱式桥的发展拱桥，在桥梁的发展史上曾经占有重要地位，迄今为止，已有三千多年的历史1，并因其形态美、 造价低、承载潜力大而得到广泛的应用。关于拱桥的起源，众说纷纭，莫衷一是。事实上，在古代，由于交通不 便，人们的活动范围有限，交流不多，同一种结构有多种起源、同时在多处独立发展也是完全有可能的。拱桥， 和其它的桥梁结构一样，其发展水平和生产力的发展水平息息相关，始终受力学、材料科学和施工技术的制约。 在拱桥发展的早期，生产力发展水平十分低下，其发展十分缓慢。这一时期的拱桥主要有以下特征：（1）拱桥的设计、建造以经验为主；（2）所用的材料多为石材；（3）结构形式以圆弧、实腹式拱桥为主。

2、国外的石拱桥鼎盛于古罗马时代。现存较为著名的两座石拱桥为 Pout-du-Gard 桥和 Alcantara 桥。前者建 于公元14年，由三层半圆拱组成，其中底层6拱、中层11拱、顶层33拱，总长达270m；后者建于公元98 年，共有16个半圆拱，跨径从13.5m到28.2m不等。拱桥在中国也有着悠久的历史。早在公元前282年就 有了关于石拱桥的文字记载，考古发现公元前250年周末的墓穴中就有了砖拱。修建于公元606年的河北赵县 安济桥代表着中国古代石拱桥建造的最高成就。安济桥跨径37.4m，矢高7.23m，宽约9m,在跨度方面曾保 持记录达1350年之久（1956年建成松树坡铁路桥，跨度38

3、m），且至今保存完好。文艺复兴时期以后，特别 是18世纪的工业革命以来，科学技术有了长足的进步，桥梁建设也逐步开始走上了科学的道路。这一时期的拱 桥具有如下的特点：（1）数学和力学逐渐在设计中起主导作用，设计理论臻于完善；（2）结构形式多样化，摆脱了上承式实腹拱的单一模式，使拱桥的表现力更加丰富；（3）所用的建筑材料也不再局限于石材。这一时期的拱桥在各个方面都得到了空前的发展。具有代表性的大跨度钢拱桥有3座：悉尼港大桥（503m， 澳大利亚，1932 年）、Bayanne 桥（503.6m，美国，1931 年）和 New River Gorge 桥（518.3m，美国， 1976年）。世界上第

4、一座钢筋混凝土拱桥建于1898年。目前，在跨度方面，万县长江大桥（420m，中国，1986年） 为同类之最。由于经济方面的原因，国内钢拱桥修建较少，但在钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥方面取得了不少成就。主要 的结构形式有双曲拱桥、桁架拱桥以及一些组合体系的拱桥。随着计算力学的发展和对材料性能认识的不断深入， 其它形式的桥梁也在不断地发展。在中小跨度方面，人们有了更多的选择；在大跨度方面，拱桥的竞争性明显弱 于斜拉桥和悬索桥。从1931年的Bayanne桥到1976年的New River Gorge桥，在45年的时间里，其跨度仅仅增加了 3%。 在此后的20余年里，钢拱桥在跨度方面再无突破。尽管钢

5、拱桥的跨度在这一时期曾一度超过500m，但它们并 不代表拱桥的发展方向。拱桥的发展几乎处于停滞状态的根源在于材料。尽管材料科学在以日新月异的速度发展， 但是长期以来可用作建筑材料的仍是“三大材”。圬工拱桥不便于实现工厂化施工，施工周期较长，相应的费用 较高。同时，圬工材料尽管适合承压，但其自重相对于许用应力而言较大，因而不适于用作大跨度桥梁。高强钢 材尽管抗压和抗拉强度都较高，但拱结构以受压为主，而高强钢材和普通钢材的弹性模量几乎相同，所以在提高 构件稳定承载力方面，高强钢材并无多大的优越性。在同样的条件下，钢拱桥的经济指标往往逊于斜拉桥和悬索 桥。由于受施工和材料方面的双重限制，古老的拱桥面

6、临着生存的危机。钢管混凝土钢管混凝土是在钢管内填充混凝土，使钢管和混凝土在受压方面实现优势互补：钢管借助于其内 部的混凝土稳定性得以增强；而内部的混凝土由于处于三向受压状态而使自身的强度得以提高。钢管混凝土更接 近于一种新材料，具有强度高、塑性好、耐高温、耐腐蚀、抗冲击性能好等优点。它不仅在力学方面性能优越， 而且在施工方面也有许多优点。钢管混凝土的复合材料特性比较接近于钢材，而塑性和韧性还胜过钢结构。它特 别适合用作轴心受压构件及小偏心受压构件。偏心较大时，可用二肢、三肢、四肢组成的组合式构件。钢管混凝 土在施工方面有显著和优点：（1）钢管本身可以兼作模板，不用拆模、支模，混凝土可以泵灌；（

7、2）钢管本身可以兼作纵筋和箍筋，卷制钢管较制作、绑扎钢筋骨架容易；（3）钢管本身可以兼作骨架。由于钢管混凝土本身的优点决定了它的经济指标：在自重和承载能力相近的情 况下，同钢结构相比，可以节约钢材 50%左右。在用钢量相近、承载能力相同的情况下，构件的横截面积可以 减小一半，自重减小近 50%3。钢管混凝土在土木工程中已有近百年的应用历史，几乎与螺旋箍筋同时出现2。1879年英国赛文（Severn）铁路桥采用了钢管混凝土桥墩，但其在钢管内灌混凝土当时仅仅是为了防锈。1901年Sewell.J.S第一个发表文章报导了方形钢管混凝土柱的应用情况。1907年美国的Lally公司首次给出 了圆形钢管混

8、凝土柱的安全承载力公式。在设计规范方面，美国的“ ACI318-65”中列入了轴心受压钢管混凝 土柱的计算公式。“ACI318-71 ”则把钢管混凝土结构作为组合构件而单独分列，包括轴心受压和受弯的计算。 日本建筑学会在1967年的年会上制定了“钢管混凝土构件设计规范”，并在1980年作了修订。此外，原欧洲 经济共同体的“EURO CODE”、英国的“BS5400”和德国的“DIN18806”也都列入了钢一混凝土柱的设计 内容。在我国，钢管混凝土的研究始于1959年。 1963年将其成功应用于北京地铁工程。随后，钢管混凝土的研究 和应用都得到了空前的发展。在理论研究方面， 70年代末80年代初

9、，用压溃理论确定轴心受压构件和偏心受压 构件的稳定承载力；80 年代，得到了混凝土和钢管在轴心受压时的多轴应力状态下的本构关系，采用有限元法 求解各种荷载条件下的构件性能曲线。 90 年代，采用内时理论来描述混凝土在复杂应力状态下的本构关系，更 全面地解决了运用有限元求解钢管混凝土在各种荷载条件下的工作性能曲线，提出了钢管混凝土的统一设计理 论。这些理论集中体现在一批具有代表性的专著中，例如：钟善桐的钢管混凝土结构、蔡少怀的钢管混凝 土结构和蒋家奋、汤关祚的三向应力混凝土。与此同时，依据这些理论，各行业制定了一些相应的设计规 程：国家建筑材料工业局颁发了钢管混凝土结构设计与施工规程（JCJO1

10、89）；中国工程建设标准化协会颁 发了钢管混凝土结构设计与施工规程 （CECS90）； 能源部电力规划局颁发了火力发电厂主厂房钢混 凝土组合结构设计暂行规定 （ DLGJ9991 ）；辽宁省电力设计院1992 年制定的送电线路空钢管混凝土结构 设计技术规定（LDGJS1192）。这些专著和设计规范的出现不但奠定了我国在这一领域的学术地位。而且 对我国的组合结构的发展、对于钢管混凝土在桥梁工程中的应用起了极大的推动作用。钢管混凝土在桥梁工程中的应用钢管混凝土的上述优点，一直受到桥梁工程专家的重视，并不遗余力地在工程 实践中加以推广和应用。早在30年代末期，前苏联著名桥梁专家Perederiy教授

11、用钢管混凝土建造了跨越列宁 格勒涅瓦河的拱梁组合体系，跨度达101m。与此同时，Rosnovskiy教授在西伯利亚也用钢管混凝土建造了一 座跨度达 140m 的铁路拱桥5。 70 年代，著名的美籍华裔结构工程专家林同炎教授在一个工程设计方案中采 用跨度为 175.5m 的钢管混凝土拱架跨越 6 条公路，上建造停车场和旅馆 4。英国 1966 年建成的 Almondsbury立交桥，采用了 35根钢管混凝土柱作为桥墩和支柱5。1988年，法国在Maupre的一座高 架桥中，用钢管混凝土作为预应力组合梁的下弦杆，取得了良好技术、经济效益10。在我国，钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用始于90年代初，

12、自从1990年四川旺苍东河大桥（跨度115m） 建成后，相继又有广东高明桥（跨度110m）、浙江新安江桥（跨度160m）、广东南海县三山西桥（跨度200m） 和江西昌河大桥（跨度150m ）相继建成。据不完全统计，在短短十余年的时间里，我国已建成钢管混凝土拱桥 近百座。钢管混凝土拱桥在我国的兴起并不是偶然的。第一，近些年来，我国大力加强交通基础设施的建设，为桥梁提供了发展的空间。拱桥作为桥梁的基本桥型之 一，过去在我国曾得到过广泛应用；第二，我国对钢管混凝土基础理论的研究处于世界的先列，钢管混凝土在其它领域的发展为拱桥的发展奠定了 坚实的理论和实践基础；第三，在我国，尽管国民经济有了很大的发展

13、，但目前大量使用钢结构还不适合国情； 第四，桥梁美学日益受到重视。拱桥在我国有很深的文化基础，钢管混凝土的应用，使拱桥的表现力更加丰富； 第五，也是更重要的一点，那就是钢管混凝土在拱桥中的应用，解决了长期在施工和材料方面困扰着拱桥的两 大难题。钢管混凝土在桥梁中的应用正在不断地向各个方向深入，在拱桥的实际应用中，产生了两大方向：一种 为内包混凝土，即钢管表皮外露，与核心混凝土共同作为结构的主要受力部分，同时也作为施工时的劲性骨架。这类拱桥目前主要有单管、集束管、哑铃形肋拱和桁架拱。这类拱一般含钢率较高，跨径从几十米到二百米。 另一种是内外包混凝土，钢管表皮不外露，钢管主要作为施工时的劲性骨架，

14、先内灌混凝土形成钢管混凝土后再 挂模板外包混凝土形成断面，钢管可以参与建成后的受力，但不是以使用荷载为控制，而是以施工荷载为控制。 这类桥有板拱、箱拱、工字形拱肋、箱肋拱和刚架拱。除板拱外，其它拱的跨越能力较强，一般都在百米以上。 其中万县长江大桥跨度达420m。这类桥由于在受力方面更接近钢筋混凝土，所以目前人们更倾向于将其归类于 钢筋混凝土桥。大跨径拱桥的发展方向钢管混凝土拱桥的出现，使古老的拱桥又一次焕发了青春。主跨 312m 的广西邕江肋 拱桥和主跨 420m 的四川万县长江大桥的箱拱，更是已经进入了世界级的先进水平。原哈尔滨建筑工程学院钟 善桐教授曾撰文指出系杆拱桥的跨度可达 600m

15、 左右；同济大学的周念先教授则在他的桥梁方案比选（同济 大学出版社，1997）中提出：在5001000m的超大跨的范围内，可供比选的方案有悬索桥、斜拉桥和系杆拱 桥。他认为如果系杆拱桥一时不具备做到1 0 0 0 m 的条件，可以先以 650m 为第一目标。随着跨度的增大，拱 桥的宽跨比迅速减小，其横向稳定性问题也就显得越来越突出。在大型拱桥当中，横向的稳定性几乎绝对控制着 桥梁及其施工的安全。以主跨居当今世界拱桥之首的万县长江大桥为例12，其劲性骨架除自重作用的工况外， 其余所有的施工工况，全部为横向稳定控制。计算还显示，活载在其强度设计中仅占5%左右，即恒载绝对控制 设计。和其它类型的拱桥

16、相比，提篮拱桥在横向稳定性方面有独到的优势。提篮拱桥是将通常的中（下）承式拱 桥的拱肋向桥轴线方向倾斜（甚至在拱顶合拢）而形成的一种空间拱式结构。它通过改变拱结构的静力计算图式 来获得较大的横向稳定性。提篮拱具有以下特色：（1）具有比常见的上承式拱大得多的面外稳定性；文献7显示：下承式拱的横向稳定承载力通常是上承式拱 的 960 倍。计入非保向力的影响，结论基本相同。而提篮拱的临界荷载又比相同情况下的平行肋拱的临界荷载 高 20%200%。此外，提篮拱保留有一般平行肋拱的特点，既可以做成对下部无推力的中、下承式系杆拱， 适用于软土地基；也可以做成有推力的中承式拱，应用于山岩地区。（2）放松了对拱桥的宽跨比的要求。现有的桥梁规范是通过宽跨比来保证拱桥的横向稳定性的。首先，这一 规定并不能完全保证拱桥的横向稳定性；其次，对于大跨度拱桥，这种硬性的规定有时达到了不合理、甚至是做 不出来的程度。（3）具有良好的施工稳定性及抗震性能。在采用劲性骨架米兰法施工时，骨架的横向稳定性也是 主要的控制因素之一，在这方面，提篮拱的性能要优于平行肋拱。同时，理论分析和实际震害调查都表明，由于 提篮拱的静力计算图式的改进，其抗震性能也得到了很大的提高。因此，我们有理由相信，在未来的大跨度拱桥 的实践中，提篮拱桥是较有前途的一种桥型。