第二节 主要施工方法
第二节 拱桥的结构体系及主要类型
[A3-1.2] 拱桥是有推力结构，由于桥位处地质条件、水文条件、通航条件、抗震设计要求、桥梁高度等因素，导致拱桥采用不同的结构体系。拱桥结构体系分为简单体系拱桥和组合体系拱桥，对于桥位处地基承载力较高、地质条件优良的地区，适宜建造简单体系拱桥；对于桥位处地基承载力较低、地质条件不良的地区，适宜建造组合体系拱桥。
[A3-1.3] 1. 简单体系拱桥
简单体系拱桥是指主要承重结构以拱圈（或拱肋）为主要受力体系的拱桥，桥面系结构（拱上建筑或拱下悬吊结构）与主拱圈之间无刚性联结或联结较薄弱，不参与主拱圈共同受力或与主拱圈的共同作用可以近似不计，主拱圈以裸拱的形式作为主要承重结构。
简单体系拱桥又分为三铰拱、两铰拱和无铰拱（图3-1-3）。
图3-1-3 简单体系拱桥主拱圈计算图式
[A3-1.4] ①三铰拱：属静定结构。由于结构内并无赘余力的存在，当发生温度变化、支座沉降、混凝土收缩和徐变等因素引起结构变形式，不会在拱圈内产生附加内力。因此，在地基条件差或气候寒冷地区可优选三铰拱。1930年瑞士工程师R.Maillart设计的瑞士Salginatobel桥是一座跨山谷的三铰拱桥，如图3-1-4a）所示。由于三铰拱的拱内铰结构会导致结构整体刚度降低、抗震能力减小，同时铰结构复杂，施工难度大。因此，现在三铰拱已很少用于主拱圈，多用在空腹式拱上建筑的腹拱中。
[A3-1.5] ②无铰拱：属三次超静定结构，特点与三铰拱正好相反。该结构在自重及外荷载作用下，由于拱的内力分布比三铰拱均匀，因此材料用量较三铰拱节省；又由于拱圈没有设铰，结构的整体刚度大，运营性能好，而且构造简单、施工方便，因此钢筋混凝土无铰拱是大跨径桥梁的主要桥型之一。但是，由于无铰拱结构的超静定次数高，在发生温度变化、混凝土收缩和徐变、支座沉降等情况时会在拱内产生较大的附加内力，所以，无铰拱适宜修建在地质条件良好的地区。2008年建成的重庆巫山大宁河大桥是一座主跨400 m的上承式钢桁无铰拱桥，跨径在同类桥梁中位居亚洲第一、世界第三。
[A3-1.6] ③两铰拱：属一次超静定结构，特点介于三铰拱和无铰拱之间。由于取消了拱顶的跨中铰，结构整体刚度较三铰拱大；但由于拱脚处设铰，结构在地基沉降的情况下附加内力较小，故在地基条件较差而不宜修建无铰拱时，可考虑采用两铰拱。1877年古斯塔夫·埃菲尔设计的葡萄牙Maria Pia Bridge（玛丽亚·皮亚桥）为两铰拱桥，主跨160 m，图3-1-4c）所示。两铰拱由于拱脚铰结构的存在同样会引致结构整体刚度降低、抗震性能减小，现在已很少用于主拱圈，多用在空腹式拱上建筑的腹拱中。
图3-1-4 简单体系拱桥示例
[A3-1.7] 2. 组合体系拱桥
组合体系拱桥是将桥面系结构与主拱圈按不同的构造方式构成一个受力整体，共同承受荷载，以减小拱脚水平推力或使拱脚水平推力为零的拱桥。对于25～70 m跨径的拱桥，通过减轻结构自重，从而减小拱脚水平推力的方法，设计为有推力的组合体系拱桥（桁架拱桥，刚架拱桥）；对于50m以上的大跨径拱桥，通过在拱桥结构内部加设系杆或纵梁来平衡拱脚水平推力，设计为无推力的组合体系拱桥（系杆拱桥，拱梁组合体系桥）。
另外，大跨径拱桥采用钢材建造时，往往将主拱圈设计成钢桁架，形成钢桁拱桥，如图1-1-15所示，钢桁拱圈是由拉、压杆件构成，受力特点不同于其他材料建造的主拱圈（以受压为主，承受较小弯矩）。这类拱桥将在“钢桥”课程中介绍，这里不再详述。
[A3-1.8] （1）有推力组合体系拱桥
有推力组合体系拱桥又称整体式拱桥（或称拱片桥），属超静定结构。在竖向荷载作用下拱脚对墩台有水平推力作用，推力靠地基承担，对地质条件要求较高。常用形式有刚架拱桥[图3-1-5a）、图3-1-6a）]和桁架拱桥[图3-1-5b）、图3-1-6b）]等。
刚架拱桥和桁架拱桥是由两个或多个整体拱片组成，每一个拱片的上面与道路平直，下面是曲线形，上、下两部分用直杆、斜杆或两者兼有的构件连成一个整体拱片，拱片之间设有横向联结系和桥面系。这类拱桥没有明确的理论拱轴线，有水平推力，仅适用于上承式桥梁。构造多变，适应性强，在经济上、施工上各有特点，被广泛用于跨径25～70 m的上承式拱桥。
图3-1-5 有推力组合体系拱桥示意图
图3-1-6 有推力组合体系拱桥示例
[A3-1.9] （2）无推力组合体系拱桥
无推力组合体系拱桥属外部静定、内部超静定结构。在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用，水平推力由刚性纵梁或柔性系杆承受，如图3-1-7所示。因此适用于地基承载力不高的桥位处，墩台与梁桥墩台相似，体积较大。这类拱桥采用下承式结构时，建筑高度很小，桥面高程设计得很低，可降低纵坡，减小引桥（引道）长度，大多设计为单跨简支受力结构，例如如图3-1-8a）所示的西安广运大桥，采用五跨简支组合体系拱桥；也有设计为多跨连续受力结构，例如图3-1-8b）所示为林同炎设计的台北关渡桥，这要求有较高的设计水平与施工工艺。
图3-1-7 单跨无推力组合体系拱桥传力路径（下承式）
图3-1-8 无推力组合体系拱桥示例
[A3-1.10] 在无推力组合体系拱桥中，吊杆仅承受拉力；拱脚处推力由纵梁（或系杆）承受，若纵梁设计得很柔细，抗弯刚度小于拱肋的1／80，则可假定纵梁只承受拉力而不承受弯矩（柔性系杆刚性拱），称为系杆拱桥[图3-1-9a）、图3-1-10a）]；若纵梁设计得很粗大，抗弯刚度大于拱肋的80倍以上，此时纵梁既承受拉力又承受弯矩，拱可假定只承受轴向压力而不承受弯矩（刚性系杆柔性拱），称为蓝格尔拱桥[图3-1-9b）、图3-1-10b）]；若拱与纵梁的刚度都很大，都可承受弯矩与轴向力者（刚性系杆刚性拱），则称为洛泽拱桥[图3-1-9c）、图3-1-10c）]。以上三种拱桥，当采用斜吊杆来代替竖直吊杆时，称为尼尔森拱[图3-1-9d）、e）、f）] 。
图3-1-9 单跨无推力组合体系拱桥
图3-1-10 无推力组合体系拱桥示例
[A3-1.11] 拱桥结构形式多种多样，造型各异，构造也各不相同，分类之多是其他桥型不可比拟的。
[A3-1.12] 1. 按结构体系分类
拱桥按按结构体系不同，可分为简单体系拱桥和组合体系拱桥，如上所述，如图3-1-3～7所示。
[A3-1.13] 2. 按建桥材料分类
拱桥按建桥材料（主要是针对主拱圈使用的材料）分类，可分为木拱桥、圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥和钢拱桥等。木拱桥多用于景观桥梁，很少用于公路桥梁；中、小跨径采用圬工拱桥；大、中跨径采用钢筋混凝土拱桥；大跨径和超大跨径采用劲性骨架混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢拱桥等。
[A3-1.14] 3. 按主拱圈横截面形式分类
拱桥按主拱圈截面形式分类，可分为板拱桥、肋拱桥、箱形拱桥和双曲拱桥等，如图3-1-11所示。同一截面形式的主拱圈沿拱轴线可设计成等截面或变截面形式。沿桥跨方向，主拱圈上垂直于拱轴线的横截面尺寸相同，称作等截面拱[图3-1-12a）]；主拱圈横截面尺寸从拱顶截面到拱脚截面是逐渐变化的，称作变截面拱[图3-1-12b）]。无铰拱通常采用由拱顶截面向拱脚截面逐渐增大的变截面拱[图3-1-12b）]；在三铰拱或两铰拱中，由于最大内力的截面位置分别在约四分之一跨径或跨中处，因此常采用图3-1-12c）或图3-1-12d）的截面变化形式（又称镰刀形）。
[A3-1.15] 4. 按照拱上建筑的结构形式分类
拱桥按照拱上建筑的结构形式分类，可分为实腹式拱桥和空腹式拱桥，如图3-1-13所示。实腹式拱桥是拱上建筑做成实体结构的拱桥，通常在拱圈上两侧设拱上侧墙（挡土墙），中间填土（石），再于其上建造桥面。这种桥构造简单，施工方便，但自重大，多用于20～30 m的小跨度拱桥。空腹式拱桥是拱上建筑由几个腹孔构成的拱桥。腹孔为桥面以下、主拱拱肩上所设的孔，当腹孔采用拱式结构时称作腹拱。空腹式拱桥较实腹式拱桥轻巧，节省材料，外形美观，并且有助于泄洪，适用于大跨度桥梁，但施工较麻烦。
[A3-1.16] 5. 按主拱圈与桥面系的关系分类
拱桥按主拱圈与桥面系的关系分类，可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥，如图3-1-1所示。上承式拱桥可设计成实腹式的或空腹式的，优点是桥面系构造简单，拱圈与墩台的宽度较小，桥上视野开阔，施工较下承式拱桥方便；但缺点是桥梁建筑高度大，纵坡大和引道（桥）长。下承式拱桥多设计成无推力组合体系拱桥，适用于地基差的桥位处，优点是桥梁建筑高度很小，纵坡小，可节省引道（桥）长度；缺点是构造复杂，拱肋施工较麻烦，须注意裸拱施工时的稳定性。中承式拱桥较上承式拱桥的建筑高度小，纵坡小，引道（桥）短；但桥梁宽度大，构造较复杂，施工也较麻烦。
[A3-1.17] 6. 按拱轴线采用的线形分类
拱桥按拱轴线采用的线形分类，可分为圆弧线拱桥、悬链线拱桥和抛物线拱桥等。圆弧线拱轴构造简单、施工方便，但拱脚负弯矩大，需在拱脚处设置护拱，多用于小跨径实腹式拱桥。实腹式拱桥在恒载作用下的合理拱轴线是悬链线，因此，悬链线拱轴多用于中等跨径板拱、双曲拱和大跨径箱拱。对于结构自重较轻的轻型拱桥、较坦的大跨径钢筋混凝土拱桥、各种组合结构拱桥等，采用抛物线拱轴。
图3-1-11 主拱圈横截面形式
图3-1-12 主拱圈截面变化形式（立面）
图3-1-13 拱上建筑形式（桥面中心线处纵截面）
[A3-1.18]拱桥的结构形式，应按因地制宜、就地取材的原则，并根据桥位处的地形、地质、水文、通航等要求，结合施工设施等条件综合选择，以达到经济合理、技术先进、外形美观的要求。选用拱桥类型的基本原则为：
（1）对小跨径拱桥可采用实腹式圆弧拱，大、中跨径拱桥宜采用空腹式悬链线拱。
（2）在盛产砂、石的地区，可充分发挥民间传统工艺，就地取材，采用圬工拱桥。
（3）箱形截面拱具有抗扭刚度大、结构稳定性强、整体性能好等优点，宜用于大跨径无支架施工的钢筋混凝土拱桥。
（4）肋拱桥具有材料省、重量轻、能减少下部工程量、外形美观等优点，可用于大、中跨径的钢筋混凝土拱桥，以及特大、大跨径的钢管混凝土拱桥和钢拱桥。
（5）软土地基上修建拱桥宜采用轻型拱桥，或无推力拱桥。
（6）修建多孔拱桥时，宜采用等跨连续拱，使各墩台水平位移相等。
（7）上承式拱桥可根据跨径大小、地质条件等选择实腹式板拱、空腹式板拱或箱拱、双曲拱、肋拱、刚架拱、桁架拱等，中承式和下承式拱桥采用肋拱桥。
[A3-1.19][学习提示]
拱桥在竖向荷载作用下，主拱圈在拱脚截面产生水平反力，可部分抵消拱圈由荷载产生的弯矩，使拱圈截面主要承受压力。因此，与同跨径的梁相比，拱的弯矩和剪力要小得多，比梁桥能实现更大跨径。通常采用抗压能力强的材料建造，例如，中小跨径拱圈采用圬工材料和钢筋混凝土材料，大跨径拱桥采用钢筋混凝土材料、钢管混凝土材料或钢材。
拱桥按结构体系分类，有简单体系拱桥和组合体系拱桥。简单体系拱桥又可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱桥，三铰拱和两铰拱主要用于腹拱圈及少数拱桥的主拱圈，无铰拱主要用于主拱圈，无铰拱是超静定结构，对拱脚变位要求较高，因此，在桥址地质条件良好（地基承载力较高，变形小）地区，一般采用简单体系无铰拱桥。组合体系拱桥又分为有推力拱桥和无推力拱桥，为使有推力拱桥适用于各种地质条件，需减小拱脚水平推力，因此，要求结构轻盈，减小结构自重，例如，桁架拱桥和刚架拱桥；在桥址地质条件较差（承载力较底）地区，要求拱脚不向下部结构传递水平推力，因此，需采用系杆或系梁平衡水平推力，例如，拱系杆组合结构（又称系杆拱）和拱梁组合结构。
拱桥的种类很多，专业名词术语也较多，这也是学习本章需要下功夫之处。只有记住各构件、各部位的名称，分清不同结构体系特点，才可保障后续各章的顺利学习。
[A3-1.20][思考与练习]
1. 拱桥的受力特点是什么？
2. 拱桥与梁桥有哪些区别？拱桥的跨越能力大于梁桥的原因是什么？
3. 简述拱桥按结构体系、拱圈截面形式的分类。
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