拱桥技术成就与展望

拱桥技术成就与展望
宝春
（大学土木建筑工程学院，，350002）
摘要：拱桥具有悠久的历史，许多现存的古代拱桥是人类文明遗产的重要组成部分。

在现代，拱桥是一种经济美观的桥梁型式而得到大量的应用，新结构、新材料、新的施工方法不断推动着拱桥的技术进步。

在中国，拱桥因其适合于国情与国人的审美习惯而得到充分的发展，创造出令世界瞩目的拱桥技术与文化。

本文将简要地叙述的发历史与已取得的技术成就，存在的问题和今后的发展趋势。

关键词：拱桥、技术、成就、展望
1 拱桥的发展简史与技术成就
1.1石拱桥
拱桥的产生与应用，在人类克服自然，迈向文明进程中起了极其重要的作用。

拱桥较之石梁桥不需大条石，可以使用石块建造，不仅取材方便，而且跨越能力强，还能采用砖这种人工材料建造，较之木梁桥和藤索桥，不仅取材方便，而且耐久。

因此，有人认为拱桥的发明与轮子的发明一样让人感到惊奇[1]。

著名的古代石拱桥有古罗马的输水桥，如Pout-du-Gard桥（加尔输水桥）、西班牙的Alcantara桥和中国的县安济桥等。

在钢铁材料、混凝土材料在桥梁中应用之后，石拱桥因自重大、跨越能力受限制、需拱架施工、人工费用高等原因，而较少采用。

然而石拱桥在中国近现代修建还较多，尤其是1950－1960年代，中国已建成的石拱桥中跨径在100m和100m以上的石拱桥达16座，其中，2000年建成的省丹河新桥，为全空腹式变截面石板拱，跨径达146 m，是世界上跨径最大的石拱桥。

1.2混凝土拱桥
拱桥因以受压为主，所以将抗压强度高、抗拉强度低的混凝土材料应用于拱桥之中是合理的。

1965年修建的澳大利亚悉尼的格拉特斯维尔桥，净跨径305m，是混凝土拱桥中跨径最大的一座。

1979年前南斯拉夫（现克罗地亚）建成的KRK大桥，主跨390m，是国外最大跨径的钢筋混凝土拱桥。

我国在上世纪六十年代后，修建了大量的钢筋混凝土拱桥。

为减轻自重、节约圬工和钢材、方便施工，我国桥梁工作者对拱桥技术进行了长期不懈的探索，双曲拱桥、桁架拱和刚架拱就是这一探索的结果。

1980年代，将预应力技术引入桁架拱，建成了一系列预应力桁式组合拱，成为大跨径拱桥的一个重要桥型。

1995年建成的江界河大桥，主跨达330m，在这一桥型中跨径最大，也是当时国跨径最大的拱桥。

1980年代后，我国修建了许多大跨径的钢筋混凝土箱拱桥和肋拱桥。

比较典型的桥梁有1979年建成的跨径150m的马鸣溪大桥、1982年建成的跨径170m的市宝鼎大桥、1990年建成的跨径200m的乌江大桥、1990年建成的跨径240m的中承式钢筋混凝土拱桥——小南门金沙江大桥、1996年主跨达312m的以钢
管混凝土为劲性骨架的广西邕宁邕江大桥以及1997年建成的世界上跨径最大的钢筋混凝土拱桥——长江大桥（420m）。

应该指出，拱桥跨径的增大，是与施工技术的进步分不开的。

从有支架施工到无支架施工，无支架施工从缆索吊装、转体施工、悬臂拼装到劲性骨架施工等方法的应用与进步，使我国拱桥跨径越上一个又一个台阶。

而前述几座世界级拱桥如邕宁邕江大桥、长江大桥等，则是将钢管混凝土作为劲性骨架采用缆索吊装施工建成的。

应用钢管混凝土作为劲性骨架施工的钢管混凝土拱桥已达10余座。

然而，这一桥型中的钢管混凝土劲性骨架主要用于施工过程的受力，成桥以后所起的作用很小。

为了减少这一部分的材料，有效的途径是加大劲性骨架的刚度，如增大高度，但这样做在增大劲性骨架刚度的同时也增大了后期成型后混凝土拱圈的重量，这使得增大拱肋截面高度的作用并不明显。

同时，混凝土浇筑的时间很长，施工复杂、工序繁多，混凝土收缩徐变的时效作用问题突出。

因此，采用钢管混凝土劲性骨架修建的钢筋混凝土拱桥，目前修建得较少。

2.3钢拱桥
钢铁首次大量应用于桥梁的是1874年修建的美国Missouri跨越Stolouis的Eads桥。

此后，许多精美的钢拱桥先后建成。

国外跨径最大的钢拱桥是美国建于1977年的New River Gorge（新河谷）桥（跨径518.3m）。

与国外相比，长期以来，我国钢拱桥修建较少，跨径也不大。

1992年建成的长江大桥，是上个世纪我国建成跨径最大的钢拱桥。

它的主孔是三跨刚性梁柔性拱，跨径组合为180+216+180（m）。

随着我国经济和交通的发展、钢产量的提高，我国陆续修建了一些大跨径钢斜拉桥、钢悬索桥。

2003年建成了大跨径的钢拱桥－卢浦大桥（550m），将我国钢拱桥的纪录从200m左右，一下子跃升到世界第一。

1.4钢管混凝土拱桥
1937年和1939年，前联建成了两座跨径分别为110m和140m的钢管混凝土拱桥[1][2]。

此后的相当长时间，世界围未见有这种桥梁修建的报道。

1990年，中国第一座钢管混凝土拱桥－旺苍东河大桥在建成。

由于钢管混凝土拱桥具有材料强度高、施工方便、造型美观等优点，又适逢我国大规模的交通基础设施建设时期，钢管混凝土拱桥便在我国得到迅速的发展。

随着数量的增多，跨径与规模也不断增大，分布区域也越来越广[2]。

据不完全统计，我国已建和在建的钢管混凝土拱桥已达200余座。

已建的钢管混凝土拱桥中，跨径最大的是2000年建成的丫髻沙大桥，主跨跨径达360m。

从结构类型来看，上承式中跨径最大的是主跨为288m的奉节梅溪河桥；中承式有推力的跨径最大的是主跨为308m的省淳安县（千岛湖）南浦大桥；中承式无推力的是主跨360m的丫髻沙大桥，下承式刚架系杆拱跨径最大的是跨径为280m的的汉江三桥，下承式无推力跨径最大的是主跨150m的天津彩虹桥。

我国目前仍处于交通基础设施建设的高潮，钢管混凝土拱桥的应用仍在不断发展之中。

在建的大跨径与大规模的钢管混凝土拱桥有广西永和大桥（338m）、另一座是市巫山县巫峡长江大桥（460m）、茅草街大桥（368m）、市钱江四桥（190 m）、黄河公路二桥主桥（8×100m）等。

近几年，国外修建的钢管混凝土拱桥有法国跨径56m的Antrenas桥、跨越Escudo河主跨跨径126.4m的上承式钢管混凝土拱桥、捷克跨径为60.75m跨越Brno-Vienna高速公路的地方道路桥梁、美国跨径74m的New Damen Avenue（新达门大街）桥和日本正在施工的主孔跨径240m的长崎西海二桥[3]。

2 拱桥技术的发展方向
2.1石拱桥
石拱桥因其采用天然材料而具有独特的美学价值，然而因其昂贵的造价，在国外尤其是发达国家中新建的石拱桥极少，既使有也是在公园或风景区中。

大量现存石拱桥的维护、改造和迁移成为国外研究的重点。

在历届的国际拱桥大会上均有大量的论文对此进行介绍。

在中国，石拱桥的跨径，从606年县安济桥的37.4m，到1956年完成铁路松树坡桥的38m，历经1350年才得以突破。

此后，石拱桥跨径纪录在我国不断改写，并越过百米大关。

1972年建成的九溪沟大桥116m的跨径保持了18年后，120m跨径的乌巢大桥以将其打破。

时隔不到10年，146m丹河新桥又刷新了记录。

尽管如此，应该看到，进入1980年代以来，由于石拱桥劳动生产率低、支架费用大、对地质条件要求高等原因，在许多情况下其经济性较其它桥梁已从过去的优势变为劣势，因而在我国石拱桥修建日少，丹河新桥的修建并不具有普遍意义也不代表着拱桥的发展方向，它仅说明在一些石料丰富，地质条件较好的山区，石拱桥仍有可能成为较佳的桥型选择。

另一方面，新中国建国以来尤其是在二十世纪六、七十年代修建的大量的石拱桥仍在服役中，主要是地方道路上。

以省为例，截止2002年底，专养公路3729座桥梁中石拱桥占1936座，达桥梁总数的52 %[4]。

这些石拱桥的维修、加固与改造任务十分繁重。

当前由于我国正处在大规模的新桥建设阶段，这一问题还没有引起足够的重视。

由于国外在这方面已进行了大量的研究，而我国的石拱桥又有自己的特点，因此开展这方面研究时，一方面在理论方面应对国外的研究成果进行分析与借监，另一方面，通过对具体实桥的实践与总结，产生出适合我国石拱桥的养护、维修与改造的实用技术。

2.2混凝土拱桥
以廉价的抗压强度高的混凝土材料为主、配置少量的钢筋抵抗拉应力的钢筋混凝土材料用于以受压为主的拱桥之中从结构方面而言无疑是合理的。

然而，由于自重大，施工过程中结构自身的作用不能发挥而需大量的施工设备与临时设施，以用需消耗大量的人工费用，使得它的经济性受到很大的影响，当跨径增大时这个问题愈显得突出。

在日前世界上五座跨径超过300m的钢筋混凝土拱桥中，3座在中国且均建于1990年代（长江大桥，广西邕宁邕江大桥和江界河大桥），只有前南斯拉夫的KRK大桥（390m，1979年）澳大利亚悉尼的格拉特斯维尔桥（305m，1965年）。

值得注意的是大跨度钢筋混凝土拱桥近年来重又在国际上引起桥梁专家的注意。

一些专家提出修建600m跨度的钢筋混凝土拱桥的设想，并开展了相应的研究。

1996年，著名的Jean Muller 国际顾问工程师与Alian Spielmann顾问建筑师在参加法国Millau山谷的跨越Tam河的设计方案投标中，提出了长602m的钢筋混凝土拱桥的设计方案。

该桥位于法国A75号公路上，桥面高出Tam河280m。

大桥穿越法国中部山区的Millau 山谷，全长2500m。

遗憾的是该方案没有中标，该桥采用的方案是多跨斜拉桥，现正在施工[5]。

日本土木学会于1999年开始组织进行跨度达600m钢筋混凝土拱桥的可行性研究，于2003年出版了<600m跨径级的混凝土长大拱桥的设计与施工>一书。

该书分为三大篇，分别为“混凝土长大拱桥的历史、动向与必须克服的问题”、“600m跨径级的混凝土长大拱桥的试设计与施工计划”和“600m跨径级的混凝土长大拱桥的设计与施工指南” [6]。

混凝土拱桥在新中国成立以后在相当长的时期是我国的主导桥型，广大桥梁工作者对其技术进步进行了不懈的努力与探索。

然而，近期对混凝土拱桥的应用与研究与其它桥型相比却相对落后了。

一方面，在高等级公路（主要是高速公路）建设中，混凝土拱桥在相当程度上受到排斥。

这里有设计与施工周期紧的原因，也有认识上的原因。

比如，有的人认为钢筋混凝土拱桥属于圬工结构，而高速公路上应采用预应力结构。

这种认识显然是不科学的。

尽
管没有采用预应力，但拱桥在自重作用下在拱肋产生的压力实际上就是一种被动的预应力，这种被动的预应力不需要高强钢丝和锚具，而是由自重和良好的地基提供的因而是廉价的，这也是为什么它既经济又是受力合理的原因。

现在有些新建的山区公路，无论何种地形与地质条件，一律拒绝拱桥，代之以标准跨径或准标准跨径的连续梁或连续刚构，出现大量的高墩，这种做法无疑是不科学与不经济的，同时也是不美观的。

另一方面，钢管混凝土拱桥的出现抢占了钢筋混凝土拱桥的应用围，吸引了大量的建设、设计、施工与研究力量的投入，也冷落了钢筋混凝土拱桥。

2003年，西部交通科技项目中开展了“钢筋混凝土拱桥在山区应用的研究”。

本文作者正在翻译日本的<600m跨径级的混凝土长大拱桥的设计与施工>一书，并对我国大跨径钢筋混凝土拱桥进行前期研究工作。

但总的来说，与国外进行的600m 跨径级钢筋混凝土拱桥的研究相比，目前我国钢筋混凝土拱桥的研究现状不能令人满意，希望有关方面能引起足够的重视，投入更多的力量开展长大钢筋混凝土拱桥的研究以使我国在这方面继续处于国际领先地位，使这种桥型为我国的现代化建设继续发挥其应有的作用。

同时，我国在上个世纪六七十年代修建的大量的钢筋混凝土拱桥，尤其是整体性较差的双曲拱桥、桁架拱桥等的维护、加固与改造还是一个很大的课题，需要投入大量的研究力量。

2.3钢拱桥
钢拱桥的技术进步，从其跨径来看，从1874年跨径158.6m的圣路易桥到1916年跨径298m的狱门桥，42年中跨径增加88%；到1931年跨径503.6m的培虹桥，15年中又增加了69%；再到1976年跨径518.3m的新河谷桥，45年仅增加3%；2003年中国建成跨径达550m 的卢浦大桥，27年跨径增加了6%。

与钢斜拉桥相比，钢拱桥的跨径的增加十分缓慢，新桥的修建也显得很少。

这主要原因是随着现代斜拉桥技术的发展，在300-500m跨径钢斜拉桥比钢拉桥省钢，施工方便，对地质条件要求较低。

当然在地质条件较好的山谷，或对抗震、抗风要求较高时，钢拱桥仍是大跨径桥梁可以考虑的方案。

我国在本世纪以前，钢拱桥修建极少。

然而近期受卢浦大桥的影响，国目前有几座大跨径的钢拱桥正在计划修建之中，如的星光快速路的江海特大桥、菜园坝长江大桥。

但是应该指出，钢拱桥在我国的修建，技术储备严重不足，建设投资大，后期养护与管理费用很高。

因此，目前盲目地建造大跨度、大型的钢拱桥并不适合中国的国情。

在理论方面，国外已对钢拱桥开展了大量的研究，尤其是在上个世纪的三四十年代。

近几十年来，随着新建钢拱桥的日渐减少，对其研究也冷了下来。

虽然，钢拱桥的设计理论方面还有许多问题值得研究，如极限承载力的设计方法、局部与整体的相关屈曲问题等。

但影响钢拱桥的发展主要还是施工方法与经济方面的因素。

因此，我国首先应该吸收消化国外钢拱桥研究与实践已经取得的成果，制定或完善相关的设计与施工规，培养技术队伍，在此基础上开展相关的研究。

2.4钢管混凝土拱桥
钢管混凝土拱桥在短短的十余年在中国得到如此迅速的发展，无论是在世界桥梁史上还是在中国桥梁史上都是一个十分特殊的现象。

伴随着大量的应用，施工方法、新桥型也相继出现。

但是在技术准备并不充分的情况下，如果大规模地应用一种新桥型，是否会带来不良的后果，是否会象双曲拱桥一样在若干年后出现大量的维修问题，已引起工程界的关注与争论。

中下承式钢管混凝土拱高强吊杆与系杆容易由于锈蚀和疲劳引起破断，悬吊桥面刚度与整体性较差，管混凝土与钢管的脱粘等问题，已引起工程界与管理部门的警觉。

2003年的西部交通建设科技项目中就专门列有“拱桥吊杆健康诊断技术研究”的课题。

在结构型式方面缺乏充分研究的创新，也为这种桥型的长期使用留下隐患。

虽然我国在钢管混凝土拱桥的应用方面处于国际领先水平，然而，由于我国目前处于交通基础设施建设的高峰时期，大量的研究力量主要集中于具体桥梁工程的应用研究之中，比如结构的构造、施工工艺与架设计技术等，设计理论方面虽然进行了一些有益的探索，如钢管混凝土单圆管拱的受力全过程试验研究与双重非线性有限元计算方法研究、钢管混凝土拱桥的温度应力研究等，但这些研究尚不系统与深入，距形成较为成熟的设计理论还有相当的差距[3][4]。

目前，这种桥型的设计计算与验算时，有的将其拟合成钢拱，有的则拟合成钢筋混凝土拱，没有反映出钢管混凝土拱桥的受力特点，设计计算与验算缺乏科学依据，科技含量、经济效益和社会效益受到限制，它的进一步推广应用也受到一定程度的制约。

令人高兴的是交通部两部有关钢管混凝土拱桥的专门规，“钢管混凝土拱桥设计规”与“钢管混凝土拱桥施工技术规”经过大家的努力，2004年将颁布实施。

集中了国近下家在钢管混凝土拱桥设计、施工与科研方面具有很强实力的单位和一大批专家的西部交通建设科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究”也已于2003年开始起动。

相信这个项目的实施将从根本上改变我国钢管混凝土拱桥理论研究严重滞后实践的被动局面。

3 拱桥造型的追求与结构的异化
拱是一种自然与合适的结构型式，它总是令人赏心悦目而且清晰地表达出它的功能。

拱极易融入环境和满足大众的审美习惯与需求。

著名的结构专家林同炎曾经说过“拱是结构也是建筑”。

英语中的”建筑（architecture）”一词可能是由“拱(arch)”衍生而来[7]。

因此，拱受到广大桥梁设计师尤其是建筑师的喜爱。

在现代桥梁设计中，许多拱桥的方案往往因其建筑学方面的意义而被选中。

与此同时，对建筑结构造型的追求，促使拱结构的形式不断变化与翻新，也出现了结构异化的现象。

传统的拱桥拱肋与行车道平行，拱肋为以面受压为主的结构。

英国Hume桥采用了单根拱肋以与行车道斜交的形式跨越，形成了斜跨拱。

此后，日本东京羽田机场跨线桥、猫罗溪桥[8]则采用了以一根与行车道垂直的大拱肋通过拉索吊住桥面，暂且将之称为拱塔斜拉桥。

如果说斜跨拱的拱肋因其还是以沿桥梁跨越方向向桥面结构提供弹性支承的结构，还可以看成拱的话，则拱塔斜拉桥中的拱则主要起斜拉桥的桥塔的作用，它的结构受力行为也与传统的拱结构有很大的区别了。

拱的横向稳定是其结构设计的一个重要考虑的容。

通常两根或两根以上的拱肋通过横向联系，有时还将拱肋倾形成提篮拱以提高横向稳定性。

而有一种拱结构，两根拱肋不是倾，而是外倾，且不加横撑，形成一种蝶形拱，比如英国的蝴蝶桥、罗瑟海斯隧道桥、日本的森林桥等。

从结构受力来看，它显然是不合理的，因此其施工与结构的造价都要有很大的提高。

有时只有一根拱肋外倾形成单肋外倾拱，如英国德黑茨桥、约克千禧桥、黑山狗桥等[9]。

此外，还有拱轴线的异形、高低拱的组合、同一跨中多根肋跨径大小不一的结构、拱与斜拉桥的组合、拱与悬索桥的组合等等，变化繁多，在此不一一列举。

有的已经实现，有的还是一种设想。

应该提出的是，国外出现的许多造型奇异的拱结构，许多是在人行桥、自行车桥或小跨径小规模的车行桥中出现的。

由于规模小、造价总量有限，因此结构异化所引起的构造复杂、施工困难和费用上升都是有限的。

值得注意的是，我国目前在一些大型桥梁，尤其是市政桥梁中，出现了应用这种奇异拱结构的现象，所引起费用的上升是惊人的，追求建筑造型的代价是巨大的。

这种不良的倾向应引起大家的注意。

4 结语
在人类迈向21世纪的时候，拱桥这一古老的桥型又引起了人们的关注。

自1995年以来，
每3年召开一次的国际拱桥大会为关注拱桥技术进步的专家学者提供了一个讨论的平台。

中国的拱桥不论是在中国的各类桥型中、还是在世界拱桥中都占有极其重要的地位，中国的拱桥不仅数量众多、桥型丰富，而且保持着石拱桥、钢拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥跨径的世界纪录。

我们应在这良好的基础上，扎实工作，不断创新，努力促进拱桥技术的进步。

1 R. Favre, J. De Castro San Roman, The Arch: Enduring and Endaring, Proceedings of the Third International Conference on Arch Bridge, 19-21, Sept. 2001, Paries France：3－16
2 宝春，钢管混凝土拱桥设计与施工, ：人民交通，1999年
3 宝春，钢管混凝土拱桥桥例集（一），：人民交通，2002
4 瑞清，省公路石拱桥调查分析与加固技术研究，大学硕士学位论文，2004年
5J Muller, On Design and Construction of Long Span Concrete Arch Bridge, Proceedings of the Third International Conference on Arch Bridge, 19-21, Sept. 2001, Paries France: 17-26
6 日本土木学会，600m跨径级的混凝土长大拱桥的设计与施工，东京：日本土木学会，2003年
7林同炎，拱是结构也是建筑，土木工程学报，30（3），1997年6月：11－15
8N. Hussian and I. Wilson, The Hume Arch Bridge, Manchester, Civil Engineering, 1999, 132, Feb., paper 11640, 2-13
9荻薇、汤辉雄、富本信等，猫罗溪桥の设计·施工，桥梁と基础（日）．2001（10）:2-8 10马修·韦尔斯著，慧、黎楠译，世界著名桥梁设计，：中国建筑工业，2003
作者简介：宝春性别：男出生年月： 1958，4，24
工作单位：大学土木建筑工程学院学位：博士
职务：院长职称：教授、博导
通讯地址：市工业路523号大学土木建筑学院，邮政编码：350002
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