第一章 概论

第一章 概论

第一节 拱桥的特点

[A3-1.1] 拱桥是桥梁的常见桥型之一，因良好的承载潜力、跨越能力和体系刚度，以及优美的外形特征，在我国以及世界公路、铁路等行业建设中得到了广泛应用。主拱圈是拱桥的重要承重结构，由于拱圈为曲线而无法满足现代车辆交通的通行需求，因此，拱桥需设置专门的桥面系支承结构。桥面支承结构因桥面系与拱圈（或拱肋）的空间位置不同，可分为上承式拱桥、下承式拱桥和中承式拱桥三种类型，如图3-1-1所示。上承式拱桥需要拱上建筑支承桥面系，下承式拱桥则需设置拱下悬吊结构支承桥面系，而中承式拱桥既要设置拱上建筑，也要设置拱下悬吊结构支承桥面系。桥面系直接承受活载，再通过拱上建筑或拱下悬吊结构传给拱圈（或拱肋）；拱圈（或拱肋）则承受上部结构的全部荷载，并将荷载传递到墩台、基础。

图3-1-1 拱桥结构组成示意

1、受力特点 拱桥在竖向荷载P的作用下，两拱脚截面不仅会产生竖向反力R，还会产生水平推力H[图3-1-2b）]。由于水平推力H的存在，在拱圈内产生了反向弯矩，大大减小了截面原有的弯矩M，水平推力H所产生的截面压力N也会大大消减外荷载剪力V（相对于图3-1-2a）的梁桥，弯矩M和剪力V都大幅度减小，因而材料利用率更高，跨越能力更大）。理想状态下，如果选择合适的矢跨比和拱轴线，将使拱轴线与压力线重合，从而实现拱圈处于纯受压状态。当然，由于活载的存在拱上总是存在着一定的弯矩，所以拱圈多为偏心受压构件，但拱上巨大轴压力的存在仍旧使得拱圈上的拉应力控制在较低的水平，建筑材料的抗压特性可以得到有效的发挥，从而实现了远超梁桥的跨越能力。

图3-1-2 拱和梁受力分析对比

2、结构特点 拱桥是有推力结构，与同跨径梁式桥相比，因拱圈呈曲线形而增加了自重，增加了拱桥下部结构的承载负担和工程数量，提高了对桥址处地基承载力的要求。
拱桥主拱圈在计算中可简化为偏心受压杆件，在屈曲荷载作用下面临结构失稳的可能。大跨径拱桥承受的侧向风力和偏心活载所引起的扭转效应使拱结构的失稳问题变得更为复杂，不仅要考虑面内失稳（拱轴平面内屈曲）问题，还要考虑面外失稳（横向倾覆）问题。拱桥受拱轴线线形控制要求的影响，与梁式桥相比，结构建筑高度较高。当采用上承式拱桥时，由于桥面高程或整体建筑高度的提升，将导致桥梁两岸接线工程量增大或桥面纵坡增大，从而增大了工程总造价。
连续多孔拱桥，在荷载作用下各拱脚与墩结合点会产生水平位移和转角，发生“连拱效应”。为预防单孔破坏而出现结构连续垮塌的桥梁安全事故，需根据实际情况进行构造设计以解决拱桥可能出现的不平衡推力，增加了设计工作量甚至提升了结构造价。

3. 材料特点 拱桥在荷载作用下以承压为主，中、小跨径拱桥恒载占比较大，荷载分布均匀，拱圈接近全截面受压，多选用成本低廉且抗压性能好的圬工材料（混凝土、石材、砖石砌体等）建造；大跨径拱桥恒载占比较小，荷载分布不均匀，拱圈截面以受压为主、局部受弯，多采用抗压性能强、兼顾抗拉性能的配筋混凝土材料、钢-混复合材料或钢材建造。
与传统的配筋混凝土（钢筋混凝土或预应力混凝土）梁桥相比，由于拱桥能够充分发挥建筑材料的抗压性能，因而能大量节省提高材料抗拉性能的高价格建材，节省工程造价。如果采用圬工拱桥，圬工材料具有耐久性好、养护周期长的特点，可进一步降低桥梁运营期的养护和维修费用。
随着我国钢结构桥梁建设技术的进步及钢铁产量的稳定增加，钢拱桥由于其优异的抗拉、抗压材料特性，方便快捷的施工方式，为拱桥的发展提供了更多选择，尤其是钢材料较混凝土自重轻、强度高，非常利于无支架施工，在突显施工效率高的优势同时进一步强化了拱桥承载能力强等优点，因而在大跨乃至超大跨拱桥中具有良好的发展前景。

4、施工特点 圬工拱桥构造较简单，一般采用有支架施工方法修建，施工技术较容易被掌握。随着跨径和桥高的增大，支架或其他辅助设备的用量、费用以及工期都大大增加，从而增大了拱桥的施工难度，提高了拱桥的总造价。因此，大跨径拱桥一般采用无支架施工方法修建，不需要搭设拱架作为临时支承。缆索吊装方法是无支架施工的主要方法，具有跨越能力大、水平和垂直运输机动灵活、适应性广、稳妥方便等优点而广泛运用于公路大跨径拱桥施工。

5. 适用情况 拱桥的适用范围十分广泛。在沙石资源丰富的山区可就地取材、因地制宜，发挥圬工拱桥耐久性好、承载力大的优势；对于钢材资源丰富的地区，钢拱桥及钢管混凝土拱桥以跨越能力强的优势更为突出；在城市、风景区和侧重美学设计的方案中，拱桥以形式多样、造型优美、曲线圆润、富有动态感，更适宜景观设计要求；采用钢-混组合结构拱（钢管混凝土拱、混凝土-钢桁组合拱、波纹钢-混组合拱等）可充分发挥钢材受拉、混凝土受压的双向优势，平衡结构受力与工程造价的博弈关系。拱桥在跨径600m以内的桥梁设计方案中颇具竞争力。