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。