拱桥的基本组成及分类|桥梁工程概论

拱桥和其他桥梁一样，也是由桥跨结构（上部结构）和下部结构两部分组成。

根据行车道的位置，拱桥的桥跨结构可以做成上承式、中承式和下承式三种类型，如图8.23所示。就构造来讲，上承式拱桥较为简单，广为采用，其上部结构是由主拱圈（拱肋或拱箱，简称主拱）及拱上建筑（又称拱上结构）所组成。主拱圈（arch ring）是主要承重构件，承受桥上的全部荷载，并通过它把荷载传递给墩台及基础。由于主拱圈是曲线形，车辆无法直接在其上行驶，所以对实腹拱桥，需在水平桥面与主拱圈之间布置填充物（见图8.24）；对空腹拱桥，需在桥面位置设置行车道系（梁系结构），在行车道系与主拱圈之间布置传力构件。这些主拱圈以上的行车道系和传力构件或填充物统称为拱上建筑。

图8.23　上承、中承及下承式拱桥图式

图8.24　实腹拱桥

1—主拱圈；2—拱顶；3—拱脚；4—拱轴线；5—拱腹；6—拱背；7—栏杆；8—人行道块石；9—伸缩缝；10—侧墙；11—防水层；12—填料；13—桥面；14—桥台；15—基础；16—盲沟；17—锥坡；L0—净跨径；L—计算跨径；f0—净矢高；f—计算矢高；f /L—矢跨比。

拱上建筑可做成图8.24所示的实腹式（solid spandrel）或图8.25所示的空腹式（open spandrel），相应地称之为实腹拱桥或空腹拱桥。实腹拱桥为传统形式，其构造简单，自重大，适用于小跨度；空腹拱桥结构合理，自重较小，利于泄洪，是大、中跨度拱桥的常用形式。对于圬工拱桥，拱上建筑可取实体侧墙、两侧墙间填土，也可以在主拱上再布置小拱，以减少实腹面积。对于钢筋混凝土拱桥，拱上建筑一般采用立柱和行车道系，布置成空腹。图8.24和图8.25示出了拱桥的组成部分、主要尺寸和名称。

图8.25　铁路空腹板拱桥

下承式拱桥必须布置吊杆（suspender），以吊住桥面，其桥跨结构是由拱肋及其横撑、悬吊结构组成。由于车辆在两片（有时多于两片）拱肋之间行驶，所以，需要用吊杆将纵、横梁系统（即行车道系）悬挂在拱肋下，纵、横梁系统用来支承车道板，组成桥面系（行车道，人行道，栏杆等），桥面系和这些传力构件统称为悬吊结构。通常情况下，在拱肋横向之间，需设置一道或多道横撑（也叫风撑），横撑可布置成一字形、X形、K形等，主要起到增强结构整体性和提高结构横向稳定性的作用。中承式拱桥的行车平面位于肋拱矢高的中间部位，这样，位于拱跨中间的一部分桥面系用吊杆悬挂在拱肋下，位于拱跨两端的一部分桥面系则用立柱支撑在拱肋上。下承式或中承式拱桥一般是在桥梁建筑高度受到限制时采用，其拱圈只能采用拱肋形式。

拱桥的下部结构包括桥墩、桥台和基础，是用以支承桥跨结构，将桥跨结构的全部荷载传至地基。桥台还起与两岸路堤相连接的作用，使路桥形成一个协调的整体。

拱桥的形式多种多样，构造各有差异，可以按照不同的方式来进行分类。例如：按照主拱圈（肋、箱）所使用的建筑材料，可以分为砌体拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥等；按照桥面的位置，可分为上承式拱桥、下承式拱桥和中承式拱桥；按照拱上建筑的形式，可分为实腹式拱桥及空腹式拱桥；按照拱轴线的形式，可分为圆弧拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥；按照有无水平推力，可分为有推力拱桥和无推力拱桥；等等。现仅根据下面两种分类方式对拱桥的主要类型作一些介绍。

1.按照结构体系分类

（1）简单体系的拱桥

在简单体系的拱桥中，上、中承式拱桥的拱上建筑或中、下承式拱桥的拱下悬吊结构，不参与主拱一起承受荷载。桥上的全部荷载由主拱单独承受，它是桥跨结构的主要承重构件。拱的水平推力直接由墩台或基础承受。

按照主拱的受力特点，简单体系的拱桥又可以分成如下的三种，见图8.26。

图8.26　拱圈的静力图式

① 三铰拱

属外部静定结构。由于温度变化、支座变位等原因引起的变形不会在拱内产生附加内力，当地质条件不良，又需要采用拱式结构时，可以考虑采用三铰拱。但是，铰的构造复杂，施工困难，维护费用高；而且，为了使铰能够转动，桥面必须在铰处设伸缩缝，这样，桥面纵坡在伸缩缝处就会产生转折角，对行车造成颠簸。而且，只有钢拱桥才较易设铰。所以，三铰钢拱桥只是在历史上有过一些，现已基本不用。

② 两铰拱

属外部一次超静定结构。由于取消了拱顶铰，结构整体刚度较三铰拱大。在墩台基础可能发生位移的情况下或坦拱中采用，较之无铰拱可以减小基础位移、温度变化、混凝土收缩和徐变等引起的附加内力。由于设铰较方便，两铰拱在钢拱桥中的使用已相当普遍，如悉尼港拱桥和新河谷拱桥均为钢桁架两铰拱结构。(www.xing528.com)

③ 无铰拱

也叫固端拱，属外部三次超静定结构。在自重及外荷载作用下，拱内的弯矩分布比两铰拱均匀，材料用量省。由于不设铰，结构的整体刚度大，构造简单，施工方便，维护费用少；且随着跨度的增大，由温度、混凝土收缩和徐变产生的附加内力的影响会相对地减小。因此，无铰拱广泛用于石拱桥和大跨度钢筋混凝土和钢管混凝土拱桥。

（2）组合体系的拱桥

在拱式桥跨结构中，若考虑行车道系结构与拱圈共同受力，称为组合体系的拱桥。

由于行车道系与主拱的组合方式不同，其静力图式也不同。组合拱可分为无推力的和有推力的两类。同样，也可以做成上承式或下承式。常用的有以下几种形式。

① 无推力的组合体系拱桥

为拱端提供水平推力，主要依靠地基坚实。当地基不够坚实时，可以在同一拱的两拱脚之间加一拉杆（称为系杆），这样的拱桥叫系杆拱（tied arch）。拱的推力由系杆承受，墩台不承受推力，因此，系杆拱可在地质条件不好的地区采用。根据拱肋和系杆的相对刚度大小及吊杆的布置形式可以分为：柔性系杆刚性拱（系杆拱，图8.27（a））；刚性系杆柔性拱（也称蓝格尔拱，图8.27（b））；刚性系杆刚性拱（也称洛泽拱，图8.27（c））。以上三种拱，当用斜吊杆来代替竖直吊杆时，则称为尼尔森拱。

图8.27　无推力的组合体系拱

② 有推力的组合体系拱桥

此种组合体系拱中不设系杆，但考虑行车道梁和立柱与拱的共同受力，拱的推力仍由墩台承受。图8.28（a）所示为刚性梁柔性拱（也称倒蓝格尔拱）；图8.28（b）为刚性梁刚性拱（也称倒洛泽拱）。

图8.28　有推力的组合体系拱

近年来发展的刚架系杆拱桥结构，属于无推力的新型组合体系，适用于中、下承式拱桥。该类桥梁的结构和受力特点是：主拱与桥墩固结，墩顶不设支座；桥面系仅承受桥面荷载，不参与结构整体受力；荷载产生的竖向分力由桥墩传递至基础，水平分力则由独立于桥面系之外的、布置在桥墩之间的系杆力平衡。刚架系杆拱桥的桥面建筑高度小，对不良地质条件适应性好，有较大的跨越能力。

2.按照主拱的截面形式分类

拱桥的主拱圈沿拱轴线可以做成等截面或变截面形式，参见图8.26。等截面拱构造简单，施工方便，使用普遍。

主拱的横截面形式很多，常见者为以下几种（图8.29）。

如果主拱圈的横截面采用整块的实体矩形截面，就称为板拱（图8.29（a））。其特点是构造简单，施工方便，但截面抗弯惯性矩不大，适用于中、小跨度的砌体拱桥。

为了节省材料，减轻结构自重，可将整块的矩形实体截面划分为两条（或多条）分离式的肋，以加大拱圈高度，提高截面的抵抗矩，这样就形成了由几条肋组成的拱桥，称为肋拱桥（图8.29（b））。肋拱桥的材料用量一般较板拱桥经济，多用于较大跨度的拱桥。因拱肋是受压构件，这就需要考虑其稳定问题。当两拱肋都是位于竖向平面时，可以在两肋之间沿拱纵向间隔设置横向联结系。对中、下承式拱桥，当两拱肋分别位于向内倾斜的面内时，两拱肋的拱顶部分相互靠近，使联结系更易设置，对增进稳定有益，这时，因拱肋很像提篮的把手，故习称其为提篮拱或X形拱。

图8.29　拱的横截面形式

若主拱圈的横截面是由一个或数个横向小拱组成，使主拱圈在纵向及横向均呈拱形，则称之为双曲拱（图8.29（c））。双曲拱桥的特点在于，先预制重量很轻的、只配少量钢筋乃至不配钢筋的拱肋和拱波，然后使用起吊能力很小的吊机（乃至用人力抬运）进行拼装，最后用灰浆填塞拱波之间的砌缝，并在拱波之上现浇一层工地混凝土，形成拱圈。运营经验表明：在受力方面，由于其各组成部分的收缩与温度应力不同，极易产生应力集中与开裂。在构造方面，由于构件多，相互联系弱，结构整体性和耐久性较差。在用料方面，钢筋虽能节省，但混凝土用量增加颇多。就施工讲，虽然不用起吊能力大的机具，但颇费人工。目前这种横截面形式已弃用。

若拱圈为箱形截面（外观如同板拱），则称之为箱形拱（图8.29（d））。由于截面挖空，使箱形拱的截面抗弯惯性矩远大于相同截面面积的板拱者，从而能大大减小弯曲应力并节省材料。另外，闭口箱形截面的抗扭刚度大，结构的整体性和稳定性均较好。它是国内外大跨度钢筋混凝土拱桥主拱圈截面的基本形式。