拱式橋的發展

　拱式橋的發展拱橋，在橋梁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[1]，并因其形態美、造價低、承載潛力大而得到廣泛的應用。關于拱橋的起源，眾說紛紜，莫衷一是。事實上，在古代，由于TRANBBS交通不便，人們的活動范圍有限，交流不多，同一種結構有多種起源、同時在多處獨立發展也是完全有可能的。拱橋，和其它的橋梁結構一樣，其發展水平和生產力的發展水平息息相關，始終受力學、材料科學和TRANBBS施工TRANBBS技術的制約。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。這一時期的拱橋主要有以下特征：
（1）拱橋的TRANBBS設計、建造以經驗為主；
（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。
國外的石拱橋鼎盛于古羅馬時代。現存較為著名的兩座石拱橋為Pout-du-Gard橋和Alcantara橋。前者建于公元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；后者建于公元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年就有了關于石拱橋的文字記載，考古發現公元前250年周末的墓穴中就有了磚拱。修建于公元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（1956年建成松樹坡鐵路橋，跨度38m），且至今保存完好。文藝復興時期以后，特別是18世紀的工業革命以來，科學技術有了長足的進步，橋梁建設也逐步開始走上了科學的道路。這一時期的拱橋具有如下的特點：
（1）數學和力學逐漸在設計中起主導作用，設計理論臻于完善；
（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）所用的建筑材料也不再局限于石材。
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NewRiverGorge橋（518.3m，美國，1976年）。
世界上第一座鋼筋混凝土拱橋建于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。
由于經濟方面的原因，國內鋼拱橋修建較少，但在鋼筋混凝土和預應力混凝土拱橋方面取得了不少成就。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，其它形式的橋梁也在不斷地發展。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于斜拉橋和懸索橋。
從1931年的Bayanne橋到1976年的NewRiverGorge橋，在45年的時間里，其跨度僅僅增加了3%。在此后的20余年里，鋼拱橋在跨度方面再無突破。盡管鋼拱橋的跨度在這一時期曾一度超過500m，但它們并不代表拱橋的發展方向。拱橋的發展幾乎處于停滯狀態的根源在于材料。盡管材料科學在以日新月異的速度發展，但是長期以來可用作建筑材料的仍是“三大材”。圬工拱橋不便于實現工廠化施工，施工周期較長，相應的費用較高。同時，圬工材料盡管適合承壓，但其自重相對于許用應力而言較大，因而不適于用作大跨度橋梁。高強鋼材盡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，高強鋼材并無多大的優越性。在同樣的條件下，鋼拱橋的經濟指標往往遜于斜拉橋和懸索橋。由于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。
　鋼管混凝土鋼管混凝土是在鋼管內填充混凝土，使鋼管和混凝土在受壓方面實現優勢互補：鋼管借助于其內部的混凝土穩定性得以增強；而內部的混凝土由于處于三向受壓狀態而使自身的強度得以提高。鋼管混凝土更接近于一種新材料，具有強度高、塑性好、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊性能好等優點。它不僅在力學方面性能優越，而且在施工方面也有許多優點。鋼管混凝土的復合材料特性比較接近于鋼材，而塑性和韌性還勝過鋼結構。它特別適合用作軸心受壓構件及小偏心受壓構件。偏心較大時，可用二肢、三肢、四肢組成的組合式構件。鋼管混凝土在施工方面有顯著和優點：
（1）鋼管本身可以兼作模板，不用拆模、支模，混凝土可以泵灌；
（2）鋼管本身可以兼作縱筋和箍筋，卷制鋼管較制作、綁扎鋼筋骨架容易；
（3）鋼管本身可以兼作骨架。由于鋼管混凝土本身的優點決定了它的經濟指標：在自重和承載能力相近的情況下，同鋼結構相比，可以節約鋼材50%左右。在用鋼量相近、承載能力相同的情況下，構件的橫截面積可以減小一半，自重減小近50%[3]。鋼管混凝土在土木工程中已有近百年的應用歷史，幾乎與螺旋箍筋同時出現[2]。
1879年英國賽文（Severn）鐵路橋采用了鋼管混凝土橋墩，但其在鋼管內灌混凝土當時僅僅是為了防銹。1901年Sewell.J.S第一個發表文章報導了方形鋼管混凝土柱的應用情況。1907年美國的Lally公司首次給出了圓形鋼管混凝土柱的安全承載力公式。在設計規范方面，美國的“ACI318-65”中列入了軸心受壓鋼管混凝土柱的計算公式。“ACI318-71”則把鋼管混凝土結構作為組合構件而單獨分列，包括軸心受壓和受彎的計算。日本建筑學會在1967年的年會上制定了“鋼管混凝土構件設計規范”，并在1980年作了修訂。此外，原歐洲經濟共同體的“EUROCODE”、英國的“BS5400”和德國的“DIN18806”也都列入了鋼—混凝土柱的設計內容。
在我國，鋼管混凝土的研究始于1959年。1963年將其成功應用于北京地鐵工程。隨后，鋼管混凝土的研究和應用都得到了空前的發展。在理論研究方面，70年代末80年代初，用壓潰理論確定軸心受壓構件和偏心受壓構件的穩定承載力；80年代，得到了混凝土和鋼管在軸心受壓時的多軸應力狀態下的本構關系，采用有限元法求解各種荷載條件下的構件性能曲線。90年代，采用內時理論來描述混凝土在復雜應力狀態下的本構關系，更全面地解決了運用有限元求解鋼管混凝土在各種荷載條件下的工作性能曲線，提出了鋼管混凝土的統一設計理論。這些理論集中體現在一批具有代表性的專著中，例如：鐘善桐的《鋼管混凝土結構》、蔡少懷的《鋼管混凝土結構》和蔣家奮、湯關祚的《三向應力混凝土》。與此同時，依據這些理論，各行業制定了一些相應的設計規程：國家建筑材料工業局頒發了《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（JCJ01—89）；中國工程建設標準化協會頒發了《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS—90）；能源部電力TRANBBS規劃局頒發了《火力發電廠主廠房鋼—混凝土組合結構設計暫行規定》（DLGJ99—91）；遼寧省電力設計院1992年制定的《送電線路空鋼管混凝土結構設計技術規定》（LDGJ—S11—92）。這些專著和設計規范的出現不但奠定了我國在這一領域的學術地位。而且對我國的組合結構的發展、對于鋼管混凝土在橋梁工程中的應用起了極大的推動作用。
鋼管混凝土在橋梁工程中的應用鋼管混凝土的上述優點，一直受到橋梁工程專家的重視，并不遺余力地在工程實踐中加以推廣和應用。早在30年代末期，前蘇聯著名橋梁專家Perederiy教授用鋼管混凝土建造了跨越列寧格勒涅瓦河的拱梁組合體系，跨度達101m。與此同時，Rosnovskiy教授在西伯利亞也用鋼管混凝土建造了一座跨度達140m的鐵路拱橋[5]。70年代，著名的美籍華裔結構工程專家林同炎教授在一個工程設計方案中采用跨度為175.5m的鋼管混凝土拱架跨越6條公路，上建造停車場和旅館[4]。英國1966年建成的Almondsbury立交橋，采用了35根鋼管混凝土柱作為橋墩和支柱［５］。1988年，法國在Maùpre的一座高架橋中，用鋼管混凝土作為預應力組合梁的下弦桿，取得了良好技術、經濟效益[10]。
在我國，鋼管混凝土結構在橋梁工程中的應用始于90年代初，自從1990年四川旺蒼東河大橋（跨度115m）建成后，相繼又有廣東高明橋（跨度110m）、浙江新安江橋（跨度160m）、廣東南海縣三山西橋（跨度200m）和江西昌河大橋（跨度150m）相繼建成。據不完全統計，在短短十余年的時間里，我國已建成鋼管混凝土拱橋近百座。鋼管混凝土拱橋在我國的興起并不是偶然的。
第一，近些年來，我國大力加強交通基礎設施的建設，為橋梁提供了發展的空間。拱橋作為橋梁的基本橋型之一，過去在我國曾得到過廣泛應用；
第二，我國對鋼管混凝土基礎理論的研究處于世界的先列，鋼管混凝土在其它領域的發展為拱橋的發展奠定了堅實的理論和實踐基礎；
第三，在我國，盡管國民經濟有了很大的發展，但目前大量使用鋼結構還不適合國情；
第四，橋梁美學日益受到重視。拱橋在我國有很深的文化基礎，鋼管混凝土的應用，使拱橋的表現力更加豐富；
第五，也是更重要的一點，那就是鋼管混凝土在拱橋中的應用，解決了長期在施工和材料方面困擾著拱橋的兩大難題。鋼管混凝土在橋梁中的應用正在不斷地向各個方向深入，在拱橋的實際應用中，產生了兩大方向：一種為內包混凝土，即鋼管表皮外露，與核心混凝土共同作為結構的主要受力部分，同時也作為施工時的勁性骨架。
這類拱橋目前主要有單管、集束管、啞鈴形肋拱和桁架拱。這類拱一般含鋼率較高，跨徑從幾十米到二百米。另一種是內外包混凝土，鋼管表皮不外露，鋼管主要作為施工時的勁性骨架，先內灌混凝土形成鋼管混凝土后再掛模板外包混凝土形成斷面，鋼管可以參與建成后的受力，但不是以使用荷載為控制，而是以施工荷載為控制。這類橋有板拱、箱拱、工字形拱肋、箱肋拱和剛架拱。除板拱外，其它拱的跨越能力較強，一般都在百米以上。其中萬縣長江大橋跨度達420m。這類橋由于在受力方面更接近鋼筋混凝土，所以目前人們更傾向于將其歸類于鋼筋混凝土橋。
　大跨徑拱橋的發展方向鋼管混凝土拱橋的出現，使古老的拱橋又一次煥發了青春。主跨312m的廣西邕江肋拱橋和主跨420m的四川萬縣長江大橋的箱拱，更是已經進入了世界級的先進水平。原哈爾濱建筑工程學院鐘善桐教授曾撰文指出系桿拱橋的跨度可達600m左右；同濟大學的周念先教授則在他的《橋梁方案比選》（同濟大學出版社，1997）中提出：在500~1000m的超大跨的范圍內，可供比選的方案有懸索橋、斜拉橋和系桿拱橋。他認為如果系桿拱橋一時不具備做到1000m的條件，可以先以650m為第一目標。隨著跨度的增大，拱橋的寬跨比迅速減小，其橫向穩定性問題也就顯得越來越突出。在大型拱橋當中，橫向的穩定性幾乎絕對控制著橋梁及其施工的安全。以主跨居當今世界拱橋之首的萬縣長江大橋為例[12]，其勁性骨架除自重作用的工況外，其余所有的施工工況，全部為橫向穩定控制。計算還顯示，活載在其強度設計中僅占5%左右，即恒載絕對控制設計。和其它類型的拱橋相比，提籃拱橋在橫向穩定性方面有獨到的優勢。提籃拱橋是將通常的中（下）承式拱橋的拱肋向橋軸線方向傾斜（甚至在拱頂合攏）而形成的一種空間拱式結構。它通過改變拱結構的靜力計算圖式來獲得較大的橫向穩定性。提籃拱具有以下特色：
（1）具有比常見的上承式拱大得多的面外穩定性；文獻[7]顯示：下承式拱的橫向穩定承載力通常是上承式拱的9~60倍。計入非保向力的影響，結論基本相同。而提籃拱的臨界荷載又比相同情況下的平行肋拱的臨界荷載高20%~200%。此外，提籃拱保留有一般平行肋拱的特點，既可以做成對下部無推力的中、下承式系桿拱，適用于軟土地基；也可以做成有推力的中承式拱，應用于山巖地區。
（2）放松了對拱橋的寬跨比的要求。現有的橋梁規范是通過寬跨比來保證拱橋的橫向穩定性的。首先，這一規定并不能完全保證拱橋的橫向穩定性；其次，對于大跨度拱橋，這種硬性的規定有時達到了不合理、甚至是做不出來的程度。（3）具有良好的施工穩定性及抗震性能。在采用勁性骨架米蘭法施工時，骨架的橫向穩定性也是主要的控制因素之一，在這方面，提籃拱的性能要優于平行肋拱。同時，理論分析和實際震害調查都表明，由于提籃拱的靜力計算圖式的改進，其抗震性能也得到了很大的提高。因此，我們有理由相信，在未來的大跨度拱橋的實踐中，提籃拱橋是較有前途的一種橋型。