拱桥——美观与实用的完美结合
至此,从峡谷到平原,从江河到海峡,似乎都已被中国人跨越。但实际上还远远不够,面对陡峭的崖壁、湍急的水流,或是桥下交通的需要,竖直的桥墩已然无处安放,人们需要一种一跨而过的桥型,比如“拱桥”。
福州——厦门动车铁路桥我国建造拱桥的历史要比以造拱桥著称的古罗马晚好几百年,但我国的拱桥却独具一格。
形式之多,造型之美,世界少有。有驼峰突起的陡拱,有宛如皎月的坦拱,有玉带浮水的平坦的纤道多孔拱桥,也有长虹卧波、形成自然纵坡的长拱桥。
拱肩上有敞开的(如大拱上加小拱,现称空腹拱)和不敞开的(现称实腹拱),可说应有尽有。
孔数上有单孔与多孔,多孔以奇数为多,偶数较少,多孔拱桥,如果当某孔主拱受荷时,能通过桥墩的变形或拱上结构的作用将荷载由近及远的传递到其它孔主拱上去,这样的拱桥称为连续拱桥,简称连续拱桥。
江浙水乡的三、五、七、九孔石拱桥,一般是中孔最大,两边孔径依次按比例递减,桥墩狭薄轻巧,具有划一格局,令人钦佩。由于桥孔搭配适宜,全桥协调匀称,自然落坡既便于行人上下,又利于各类船只的航运。
图片来自网络这座桥就是三孔拱桥的一例。
有的桥孔多达数十孔,甚至超过百孔。
多跨拱桥又有连续拱和固端拱,固端拱采用厚大桥墩,在华北、西南、华中、华东等地都可见到,连续拱只见于江南水乡。
按建拱的材料分有石拱、木拱、砖拱、竹拱和砖石混合拱。
作为一种以承受轴向压力为主的拱圈作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成。
拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造,大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造,以承受发生的力矩。
按拱圈的静力体系分为无铰拱、双铰拱、三铰拱。前面的二者为超静定结构,后者为静定结构。
无铰拱的拱圈两端固结于桥台,结构最为刚劲,变形小,比有铰拱经济,结构简单,施工方便,是普遍采用的形式,但修建无铰拱要求有坚实的地基基础。
双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承,结构虽不如无铰拱刚劲,但可减弱桥台位移等因素的不利影响,在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方,可采用双铰拱桥。
三铰拱则是在双铰拱的拱顶再增设一铰,结构的刚度更差些,拱顶铰的构造和维护也较复杂,一般不宜作主拱圈。
拱桥为桥梁基本体系之一,一直是大跨径桥梁的主要形式。
拱桥建筑历史悠久,20世纪得到迅速发展,50年代以前达到全盛时期。古今中外名桥(如赵州桥、卢沟桥等)遍布各地,在桥梁建筑中占有重要地位,适用于大、中、小跨径的公路桥和铁路桥,更因其造型优美,常用于城市及风景区的桥梁建筑。
图片来自网络拱桥是我国最常用的一种桥梁型式,其式样之多,数量之大,为各种桥型之冠,特别是公路桥梁,据不完全统计,我国的公路桥中7%为拱桥。
由于我国是一个多山的国家,石料资源丰富,因此拱桥以石料为主。
我国建造的钢筋混凝土拱桥的形式更是繁花似锦,式样之多当属世界之最,其中建造得比较多的是箱形拱、双曲拱、肋拱、桁架拱、刚架拱等,它们大多数是上承式桥梁,桥面宽敞,造价低廉。
箱形拱主要用于大跨径;双曲拱是我国首创并不断改进的一种新型钢筋混凝土拱桥,它发源于无锡,现在已经遍步各地,最大跨径当推河南前河大桥,跨径150米;桁架拱是在软土地基上为了减轻自重、改善拱上建筑与主拱圈共同作用,借桁架原理逐步发展起来的一种轻型钢筋混凝土拱桥,适用于中小跨径桥梁;当采用了预应力措施和悬臂拼装的方法,就形成一种悬臂组合拱桥;钢架拱桥是从简化拱上建筑着眼,利用斜撑将桥面荷载传至拱脚,以改善主拱的受力;在我国也建有一定数量的下承式钢筋混凝土肋拱,其中有的是系杆拱或刚拱刚梁组合拱;我国还修建了一些钢拱桥及斜腿钢架桥。
对于中国人来说,拱桥再熟悉不过了,被写进小学课本、初中课本的赵州桥,虽然几经洪涝和地震的洗礼,但其主体结构依然完好无损,堪称世界桥梁艺术的典范。
“拱”结构的张力,要求两端底座不仅要向上托起桥身,还必须提供横向的推力。也正是这样的推力,牢牢抵抗住“拱”的变形,从而提高了拱桥的跨越能力。
这是拱桥独特的优势,也是拱桥面临的挑战。若遇上脆弱的岩石、松软的地基,两端支座便无法获得如此有力的支撑,此时只能尽量减轻桥梁自重,保持支座的稳定。
或是在拱、梁交点间固定一“系杆”,以其拉力代替支座的推力,是为“系杆拱”。
系杆拱受力图(以中承式拱桥为例)
随着普通混凝土拱桥达到跨度极限,又一种新桥型再次后来居上。工程师们将混凝土填充在钢管中,令其获得一层“保护壳”,因而比普通混凝土更加坚固牢靠。同时钢管亦可作为施工骨架,大大降低了拱桥的修建难度。于是这种的钢管混凝土拱桥,一时间成了拱桥圈的宠儿。
图片来自网络自1993年起,我国粗钢产量跃居世界首位,桥梁建设逐渐走出了“舍不得用钢”的时代,钢拱桥也随之崛起,创造了一个又一个工程奇迹,并以其柔美的造型,装点着一个又一个城市的风景。
如今,拱桥的单跨跨度已达到552米。
重庆朝天门长江大桥,钢桁架拱桥,世界拱桥跨度之最。
图片来自网络更有一种结构更加优美的,双曲拱桥。(虽然不壮丽,详见此链接)