拱桥

拱桥
拱桥是我国传统的桥梁三大基本型式之一。

拱桥介绍
中国的拱桥始建于东汉中后期，已有一千八百余年的历史。

它是由伸臂木石梁桥、撑架桥等逐步发展而成的。

在形成和发展过程中又受
墓拱、水管、城门等建筑的影响。

因为拱桥的主
要承重构件的外形都是曲的，所以古时常称为曲
桥。

在古文献中，还用“囷”、“窌”、“窦”、“瓮”等
字来表示拱。

拱桥。

造型优美，曲线圆润，富有动态感。

单拱的如北京颐和园玉带桥，拱券呈抛物线形，
桥身用汉白玉，桥形如垂虹卧波。

多孔拱桥适于
跨度较大的宽广水面，常见的多为三、五、七孔，
著名的颐和园十七孔桥，长约150米，宽约6.6米，连接南湖岛，丰富了昆明湖的层次，成为万寿山的对景。

河北赵州桥的“敞肩拱”是中国首创，在园林中仿此形式的很多，如苏州东园中的一座。

构造特点
1、拱桥的受力特点：
拱桥在竖向荷载的作用下，支座处除产生竖向反力外，还产生水平反力；由于这个水平反力的存在，使拱内各截面的弯矩大大减小，拱内各截面主要受压，而弯矩和剪力较小。

因此拱桥可以采用抗压强度大而抗拉强度低的材料来修建。

2、拱桥的主要优缺点：
优点：（1）跨越能力较大。

（2）可以就地取材，节省钢材和水泥。

（3）坚固耐久，养护维修费用少，而承载潜力大。

（4）外形美观、构造简单、有利于普及。

缺点：（1）自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部墩台圬工量。

（2）施工步骤多，需要的劳动力多，建桥时间较长。

“费工费料”
（3）由于水平推力大，在连续多孔拱中，必须设单向墩，防止连拱破坏
（4）平原地区不适合建造。

赵州桥
中国现存最早，并且保存良好的是隋代赵州安济桥，又称赵州桥。

桥为敞间圆弧石拱，拱券并列28道，净跨37.02米，矢高7.23米，上狭下宽总宽9米。

主拱券等厚1.03米，主拱券上有护拱石。

在主拱券上两侧，各开两个净跨分别为3.8米和2.85米的小拱，以宣泄拱水，减轻自重。

桥面呈弧形，栏槛望柱，雕刻着龙兽，神采飞扬。

桥史建于隋.开皇十
五年（公元595年），完工于隋.大业元年（公元605年），距今已有1406年。

安济桥制作
精良，结构独创，造型匀称美丽，雕刻细致生动，列代都予重视和保护。

中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同，所以改造不同。

北方大多为平桥（或平坡桥），实腹厚墩厚拱。

南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。

赵州桥设计建造原理：
1、选择了洨河两岸较为平直的地方建桥。

这里的地层是由河水冲积而成，地层表面是久经水流冲刷的粗砂层，以下是细石、粗石、细砂和粘土层。

赵州桥的桥台是厚度仅1.549米的既浅又小的普通矩形，桥台直接安放在轻亚粘土与亚粘土组成的第四纪冲积层上，这种天然地基土质均匀稳定，完全能承受大桥的荷载。

根据现代测算，这里的地层每平方厘米能够承受4.5到6.6公斤的压力，而赵州桥对地面的压力为每平方厘米5—6公斤，能够满足大桥的要求。

选定桥址后在上面建造地基和桥台。

自建桥到现在，桥基仅下沉了5厘米，说明这里的地层非常适合于建桥。

2、选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料，均采用了纵向（顺桥方向）砌置方法，就是整个大桥是由28道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成；拱厚都为1.03米，每券各自独立、单独操作，相当灵活。

每券完全合拢后就成一道独立拼券砌完一道供券，移动承担重量的“鹰架”，再砌另一道相邻拱。

这种砌法有很多优点，它既可以节省制作“鹰架”所用的木材，便于移动，同时又利于桥的维修，一道拱券的石块损坏了，只要
嵌入新石，进行局部修整就行了，而不必对整个桥进行调整。

3、赵州桥首次在主拱的两肩上各建两个小拱——伏拱。

挖去部分填肩材料，称敞肩。

敞肩有几大益处。

第一，减轻了桥身自重，节省材料，也减轻了桥身对桥台的垂直压力和水平推力。

使桥
身变轻巧，下部结构变简
单，使桥的质量减轻了大
约500吨，可以承担更大的
有效载荷。

第二，敞肩的四个小
拱在洪灾时能起到很好的
泄洪作用，据桥梁专家推
算，大约可增加过水面积
16.5％，不仅增大了过水面积，还有效减少了水对桥身的冲击力。

赵州桥受力分析：
此图为赵州桥的受力分析图，紫色箭头为荷载压力和桥身重力（受软件限制，重力作
用示意有一定偏差），绿色箭头为桥体所受支持力。

赵州桥成功将全桥重力通过大拱分到了
桥体两侧。

此外，赵州桥将桥体分为多个小模块，即使一个小模块受损失效，也不会影响整桥的受力结构。

分布在两侧的四个伏拱也通过减小质量从而减小了支撑面的压强，在地基不尽如人意的情况下，防止了桥体下沉的问题。

此外，敞肩的四个小拱在洪水来临时，减少了桥体受水流冲击的横截面积，缓解了水对桥身的冲击。

其他拱桥及其特点
按照拱上建筑的形式可以分为：实腹式拱桥及空腹式拱桥、组合体系式拱桥
实腹式拱桥：
是指拱上建筑作成实体结构，拱圈和主梁之间用石料或砌块填充的拱桥形式。

优点是刚度比较大，构造简单，施工方便；缺
点是随着桥梁跨径的增大，拱桥的自重迅速加大，无法作成较大跨径的拱桥。

一般用在跨径较小的拱桥中，常用跨径为20-
30m。

空腹式拱桥：
是指拱圈和主梁之间用立柱支撑。

其优点是较实腹式拱桥轻巧，节省材料，外形美观，还有助于泄洪；缺点是施工比较麻烦，
受力较复杂。

一般用在大跨径的桥梁中。

组合体系式拱桥：
由拱和梁组成主要承重结构的拱桥。

通常用钢筋混凝土或钢结构建造。

兼有实腹式拱桥和空腹式拱桥的优点，跨越能力较大。

一般用在大、中跨度的桥梁中。

按照拱轴线的型式可分为：圆弧拱桥、抛物线拱桥、悬链线拱桥；
圆弧拱桥：
拱圈轴线按部分圆弧线设置的拱桥。

优点构造简单，石料规格最少，备料、放样、施工都很简便；缺点是受荷时拱内压力线偏离拱轴线较大，受力不均匀。

一般适用于跨度小于20m的石拱桥。

抛物线拱桥：
拱圈轴线按抛物线设置的拱桥，是悬链线拱桥的一种特例。

优点是弯矩小，材料省，跨越能力较大；缺点是构造较复杂，如果是石拱桥则料石的规格较多，施工较不方便。

悬链线拱桥：
拱圈轴线按悬链线设置的拱桥。

优点是受力均匀，弯矩不大，节省材料。

多适用于实腹拱桥，大跨度的空腹拱桥中也常常采用这种线形布置。

按照桥面的位置可分为：上承式拱桥、下承式拱桥、中承式拱桥；
上承式拱桥：
桥面系设置在拱圈之上的拱桥。

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，施工方便；缺点是桥梁的建筑高度大，纵坡大和引桥长。

一般用在跨度较大的桥梁。

如图所示：
下承式拱桥：
桥面系设置在拱圈之下的拱桥。

优点是桥梁建筑高度很小，纵坡小，可节省引道长度；缺点是构造复杂，拱肋施工麻烦。

一般
用于地基差的桥位上。

如图所示：
中承式拱桥：
桥面系设置在拱肋中部的拱桥。

优点是建筑高度较小，引道较短；缺点是桥梁宽度大，构造较复杂，施工也较麻烦。

如图所示：
按照有无水平推力可分为：有推力拱桥、无推力拱桥；
无推力拱桥：
在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用的拱桥。

其推力由刚性梁或柔性杆件承受，属于内部超静定、外部静定的组合体系拱桥。

适用于地质不良的桥位处，墩台与梁式桥基本相似，体积较大，只能做成下承式桥，建筑高度很小，桥面标高可设计的很低，降低纵坡，减小引桥长度，因此可以节约材料。

但是，结构的施工比较复杂。

有推力拱桥：
在竖向荷载作用下拱脚对墩台有水平推力作用的拱桥。

水平推力可减小跨中弯矩，能建成大跨度的桥梁。

造型美观，城市桥梁一般优先选用，可做成上承式、中承式桥。

缺点是，对地质要求很高，为防止墩台移动或转动，墩台须设计很大，施工较麻烦。

按照建筑材料的不同可分为：石拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥；
石拱桥：
用石料建造的拱桥，外形美观，养护简便，并可以就地取材，以减低造价。

缺点是自重大，跨越能力有限，石料的开采、加工
河砌筑均需要较多的劳动力，且工期较长。

一般用于小跨径桥梁。

混凝土拱桥：
用混凝土建造的拱桥，包括素混凝土和钢筋混凝土两类。

其优点是加工和制造较石拱桥方便，工期段；缺点是由于混凝土抗拉强度很低，故其跨越能力小，且混凝土耗费量大。

一般用于小跨径桥梁。

钢拱桥：
上部结构用钢材建造的拱桥类型。

其优点是跨越能力大，且自重是三种拱桥中最轻的；缺点是结构复杂，由于三铰拱钢拱桥一般不用，所以对地基要求高，造价高，且维护费用高。

适用于大跨度桥梁中。

按照铰的多少可分为：两铰、三铰、无铰。

三铰拱：
在拱冠与拱端处均设铰的拱桥，属于静定结构。

优点是对混凝土收缩、徐变、温度变化，以及墩台
位移不受影响，适用于地质条件差而要求修建大跨度桥的场合。

缺点是结构复杂，施工麻烦，维护费用高，整体刚度差，由因三处设置铰，故对应的桥面处亦需设置构造缝；拱圈挠曲在铰处急剧变化，因而对行车不利。

所以，我国仅在一些较小跨径的桥上采用。

两铰拱：
拱圈中间无铰而两端设铰与墩台铰接的拱桥，属于外部一次超静定结构。

其优点是，拱脚处不承受弯矩，较无铰拱桥可减小混凝土收缩、徐变，温度变化，以及墩台位移的影响。

缺点是，构造较复杂，对应的桥面处应设置构造缝，施工亦较麻烦，对地基要求比较高，但较无铰拱对地基要求略低。

无铰拱：
又称固端拱桥。

拱圈两端嵌固在桥墩上而中间无铰的拱桥，属于外部三次超静定结构。

优点是，较有铰拱桥桥内的弯矩分布合理，材料用量较省，结构刚度大，结构简单，施工方便，维护费用少，还可以将拱脚设计在洪水位以下，有利于降低桥面的设计标高，具有较好的经济与使用效益。

缺点是，对混凝土收缩、徐变、温度变化，以及墩台位移最敏感，会产生附加应力，应建设在可靠的地基上。

如图所示：。