2000年以来世界拱桥的发展与技术创新（上）

        拱桥具有很长的历史，是桥梁的主要结构形式之一。跨径、材料适应性强，在世界各地、各个时期得到大量的修建，其中有众多成为宝贵的文化遗产和当地的象征。今天，拱桥在美观和经济上仍具有很强的优势，随着不断的技术创新，在新的历史条件下，焕发出新的生机。
) E$ c- ^$ s* B- B4 c$ u        拱桥的技术在我国的原始创新也最多，桥梁中所占比例较大。2007年，在我国53万座桥梁中占34.5%。林元培院士在一本《桥梁工程》教材的序言中指出“改革开放以来，我国桥梁事业突飞猛进，中国的斜拉桥与拱桥已进入国际先进行列”。日本东京大学名誉教授、原国际桥梁协会主席伊藤学在2006年接受《桥梁》杂志记者采访时说：“中国的拱桥水平非常高，我对拱桥的技术十分钦佩。这点可能与中国拱桥悠久的历史渊源有关。中国的石拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥，都是世界第一。这些桥在设计、施工上都下了很大工夫”。郑皆连院士指出：“拱桥是我们不应忽视的国粹”。项海帆院士认为，“山区地形和地质条件有利时，更应优先考虑经济性更好的拱桥，慎用甚至不用价格昂贵、施工复杂、主缆又不能更换的悬索桥”。
       国际拱桥大会（InternationalConference on Arch Bridges）是一个以拱桥为对象的国际学术会议，其目的是将研究者、专家、实践者和其它对拱桥感兴趣的人们聚集在一起，开展有效的有关拱桥的知识与信息的交流与讨论，促进拱桥技术持续发展。自1995年开始，每三年举办一次，迄今已举办过七届。
( W7 j! M/ Z" z4 L        在第一届、第二届会议上，仅有在海外的中国人参加了会议；从第三届开始，有十余名国内学者或工程师参加。从第四届开始，在每次四五个大会报告中，均有中国学者的一个大会报告，中国拱桥的发展引起了与会者的极大兴趣与关注，其中2010年，第六届国际拱桥大会首次走出欧洲来到中国，由福州大学主办，大会的四个报告中，原交通运输部总工凤懋润作了题为“中国拱桥的最新进展”的报告，引起了广泛的兴趣。我国拱桥的技术成就，得到了国际同行的广泛认可。2013年10月，在克罗地亚召开了第七届国际拱桥大会，在《桥梁》杂志社、福州大学等单位的组织下，我国的与会代表的收录论文均占了三分之一，充分显示了我国拱桥技术在世界上的大国与强国地位。会上成立了永久性学术委员会，决定秘书处落在我国的福州大学。
2 g( G' f6 N0 \+ N3 h/ c. [2000年以来的大跨径拱桥
1.钢拱桥
2003年我国建成通车的上海卢浦大桥，主跨达550m，成为当时世界上跨径最大的拱桥。随后我国又建成了数座大跨度钢拱桥，如主跨径428m的广州新光大桥（钢桁架拱桥，2007年），主跨径420m的重庆菜园坝长江大桥（钢箱拱桥，2007年），主跨径达552m为世界主跨径最大的重庆朝天门大桥（钢桁架拱桥，2007年），主跨径400m重庆大宁河大桥（钢桁架拱桥，2010年），主跨径336m重庆大胜关长江大桥（钢桁架拱桥，2011年）等。宜宾金沙江公铁两用桥，主跨为336m的钢箱系杆拱桥，是我国目前在建的跨径较大的钢拱桥。最近，印度正在建造世界上最高的铁路桥——Chenab桥（图1），该桥位于印度的Katra,地区Jammu-Kashmir铁路，总长1315m，高359m，主跨径为465m的钢拱桥。该桥预计于2017年完工。

（a）效果图                    （b）施工方案
  G( o5 Q* L; `3 S/ f/ j                    图1印度Chenab钢拱桥
2.混凝土拱桥
6 v$ R& P( o" L1 K& @# d* _  B       2000年以来，世界各地修建了一批混凝土拱桥，已建成的跨径不小于200m的有日本池田大桥（200m，2000年）、天翔大桥（260m，2000年），头岛大桥（218m，2003年）、富士川桥（265m，2003年），德国WildeGera桥（252m，2000年），葡萄牙InfanteD. Henrique桥（280m，2002年），克罗地亚Krka桥（204m，2004年），西班牙LosTilos桥（255m，2004年），挪威和瑞典的SvinesundII桥（247 m，2005年），西班牙TercerMilenio桥（216m，2008年），中国河南许沟大桥（220m，2001年）、福建宁德行对岔特大桥（205m，2007年），美国的迈克·奥卡拉汉-帕特·蒂尔曼纪念大桥（323m，2010年，也简称科罗拉多河桥）等。其中最引人注目的是美国科罗拉多河桥，该桥位于胡佛大坝下游处的，采用悬臂浇筑法施工，跨径排名世界第四、北美第一（图2）。
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! J! X5 v; u5 F! N, g; w- W图2 美国迈克·奥卡拉汉-帕特·蒂尔曼纪念大桥
2 Y% [1 Y6 V$ g1 }' z/ Z目前，中国有两座在建的跨径超过400m的混凝土拱桥。一座是北盘江大桥，主跨径445m，建成后将是世界上跨度最大的混凝土拱桥，也是跨径最大的高速铁路桥，它位于沪昆高速铁路，设计时速达350km/h（图3）。另一座为位于云广高速铁路上的南盘江大桥（图4），主跨为416m，设计时速达250km/h。这两座桥均采用钢管混凝土劲性骨架法施工。

  图3 北盘江大桥效果图               图4 南盘江大桥效果图
. r4 j$ P6 _$ x! ~- o3 l/ d+ b国外在建的跨径最大的混凝土拱桥是西班牙的Almonte大桥（图5），它的跨径达384m，总长达996m，也是一座高速铁路桥，采用悬臂浇筑法施工，预计2015年建成。         

- Y% u6 M- M: }; h1 f  c（a）效果图                                     （b）施工示意图
, X3 y  g  E! m, [1 i# }  a图5 西班牙Almonte大桥
3.钢－混凝土组合拱桥
钢－混凝土组合拱桥目前主要应用的是钢管混凝土拱桥，以在中国为主。1990年后中国建设了大量的钢管混凝土拱桥，2000年以来在中国继续着这种发展势头[16]。调查表明，2000年以来，我国有不少于27座跨径大于200m的钢管混凝土拱桥建成，如主跨径308m的浙江省淳安县南浦大桥（中承式拱桥，2003年建成），主跨径335.4m的广西省南宁市邕宁大桥（中承式拱桥，2005年建成），主跨径460m的巫山长江大桥（中承式拱桥，2005年建成），主跨径336m的安徽省黄山太平湖大桥（中承式拱桥，2007年建成），主跨径336m的安徽省黄山太平湖大桥（中承式拱桥，2007年建成），主跨径430m的湖北支井河特大桥（上承式拱桥，2009年建成）。目前，世界上跨径最长的钢管混凝土拱桥为合江长江一桥，主跨径达530m，已于2013年完工（图6）。
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图6 合江长江一桥
; J5 [" `5 o! c# w3 i: F国外自2000年以来建成的大跨度的钢管混凝土拱桥，仅见2005年建成的日本长崎的新西海桥（图7）。它主跨为240m，中承式，桥宽20.2m。该桥有两根主拱肋，每根拱肋由三根钢管混凝土弦杆组成三角形断面（上面两根管，下面一根管）。
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$ u0 U- N1 P* |) a# p+ v$ W. D图7 日本新西海大桥
3 u6 V& J+ A1 [7 r/ j1 \4 \上文中介绍的印度在建的Chenab桥，主拱钢桁的钢箱弦杆中灌注了混凝土，从这点来说，它也可以看成是钢－混凝土组合拱桥。
拱桥技术创新
0 ^- O7 r& A6 F$ A0 w1.高性能和超高性能混凝土的应用
在材料方面，采用高性能混凝土(HPC)和超高性能混凝土(UHPC)是拱桥发展的一个主要方向。近年来混凝土拱桥中，高性能混凝土的应用越来越多。如，2004年建成的西班牙Los Tilos桥，主拱圈与拱上立柱均采用了C75的高强混凝土。2010年建成美国的科罗拉多河桥，采用了C70混凝土。日本土木工程协会在跨径600m的混凝土拱桥研究中，采用的混凝土为C60。在1996年的法国Millau大桥设计的60个竞标中，Muller和Spielmann合作提出了跨径达602m采用C60的混凝土拱桥设计方案。法国专家在一个跨径110m拱桥分别采用C40和C80时的对比研究中，研究结果表明尽管两种方案的造价相近，但采用高强混凝土对施工和耐久更有利。超高性能混凝土在拱桥中也开始得到应用，已建成两座。一座为韩国的主跨径为120m仙游人行桥，2002年建成。另一座为奥地利格拉茨市威尔德公路桥(图8)，2009年建成。该桥主跨70m，两根折线形拱肋，采用抗压强度达165MPa的超高性能混凝土，由预制段通过体外索连在一起，竖转法施工，拱顶段现浇合龙。

图8 奥地利威尔德桥
克罗地亚开展了跨径为432m、500m、750m甚至1000m的超高性能混凝土拱桥的相关研究。我国也开展了跨径为160m、520m和600m的超高性能混凝土拱桥的试设计研究，并进行了两个模型拱的受力全过程试验研究(图9)，试验研究活性粉末混凝土拱桥的受力性能。研究表明，主拱自重比普通混凝土拱减轻30~40%，受力性能相似，但开裂弯矩、极限承载力等均有大幅度提高，应用于大跨度拱桥具有极好的可行性。   

(a) 模型拱R1            (b)模型拱R2
3 y) R/ f: D  c- v" w0 A# r图9 活性粉末混凝土模型拱试验
2.结构体系的创新
结构体系创新的一个常用且有效的方法是将拱结构和其他结构组合产生新的结构形式。拱可以与简支梁、桁梁、连续梁、连续刚构梁、斜拉索等组合，以适应不同的建设需要。近年来，我国高速铁路中，将钢管混凝土拱与连续梁或连续刚构组合，修建了大量的组合拱桥，既施工方便，又能适应高铁对桥梁刚度的要求。当拱与混凝土梁组合时，为减轻系梁的自重，文献提出了采用钢腹板PC梁的概念，也是拱结构体系的一个有益的改进。近年来，捷克的Strasky教授提出了将悬带与拱相结合的一种新桥型——悬带拱。在这种桥型中，悬带由拱支撑或悬吊，刚度加大，悬带产生的水平拉力通过混凝土斜撑与拱的水平推力相平衡。这种结构十分轻巧，下挠的悬带与上拱的拱结构，曲线柔美、和谐，在景观人行桥上具有很强的竞争力。图10为捷克布尔诺市拉特卡河上的悬带拱人行桥，建成于2007年，跨径42.90m，矢跨比1/16.19。
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% F6 h8 C* G# ]# p+ D(a) 立面图 (单位:cm)       (b) 照片
图10 捷克布尔诺市拉特卡河桥
        拱桥具有极高的美学价值，是大家共认的。近年来，随着不断增长的审美需求及与周围环境相和谐的考虑，在分析手段不断进步的条件下，基于造型追求而进行的结构创新日益增多。大多数现代拱桥都是纯拱或系杆拱。美国底特律的大门桥(图11)把美学价值和安全因素相结合，采用了将系梁埋入地下的系杆拱结构。
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4 e+ U/ K. f0 @4 R& k/ ^" V图11:美国底特律的大门桥
矢跨比是拱的重要参数，它不仅影响拱的受力，也影响着拱桥的外观。古代石拱桥通常采用较大的矢跨比甚至半圆弧拱。然而，现代的建筑师们更青睐坦拱，如葡萄牙的的Infant Henrique桥（矢跨比1/11.2）,法国巴黎的Passerelle Léopold-Sédar-Senghor桥（矢跨比1/15.14）和威尼斯的宪法桥（矢跨比1/16，图12）。
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- G- o* ^4 V' u' ?$ z  I图12 威尼斯宪法桥
众所周知，将拱肋向内倾斜可以形成稳定结构——提篮拱。和该种结构相反，近年来出现了将拱肋向外倾斜、形成反传统的令人惊艳的结构形式的趋势。结构的空间稳定性由从拱肋锚固到刚性桥面板上的吊杆提供。图13为新加坡的三座该类型的拱桥。

（a）罗拔申桥             （b）若锦桥                （c）亚历山大桥
9 U: ^( L7 _4 T9 y                                        图 13 新加坡三座人行拱桥
: {9 Q2 m* W: [" j! _( R- c6 J2013年，作者主持设计了一座跨径25m人行桥的设计，集悬带拱、外倾拱、钢管混凝土主拱于一体(图14)。该桥位于福州大学校园中轴线上，作为学校55周年校庆的一个新建筑物，基于校园景观桥梁的定位，综合环境因素和场地条件，在满足功能要求、经济合理的同时，取得了很好的景观效果。
+ [' @9 Y7 a7 [5 y5 q8 h                                       图14 福州大学校园景观桥
3.钢-混凝土组合拱
新结构主拱采用钢－混凝土组合结构，可充分利用钢的强度和混凝土的刚度。目前，这种结构在拱桥中的应用主要是钢管混凝土拱桥，且主要在中国。除了钢管混凝土外，是否还可以有其他的形式呢？福州大学提出了钢腹板（杆）－混凝土组合拱，主拱截面是由混凝土顶、底板和钢腹板（杆）组成的箱形截面，与国内多家科研与工程单位合作，在西部交通科技项目、科技部国际合作项目等支持下，开展了试设计、模型拱试验和受力性能研究（图15）。研究表明，新桥型主拱自重比混凝土拱可减轻30％左右。施工时，由于混凝土腹板被钢构件代替，可免除腹板模板的布设、浇筑混凝土等施工工序，可缩短近三分之一的拱圈浇筑的施工周期，该桥型的应用是可行的，目前正在寻找依托工程实施。

(a)平钢腹板                         (b) 波纹钢腹板                               (c)钢腹板                      (d)混凝土腹板(对照)
7 w- m) z5 R( \8 u1 R5 k9 X: G+ L                                   图15: 钢腹板（杆）－混凝土组合箱拱模型试验照片
6 V9 w" n; T/ C3 H, \       重庆交通大学提出了钢箱－混凝土组合拱桥。它在受正弯矩较大的拱顶段，采用钢箱和顶板上的钢筋混凝土组成的截面，见图16。除满足受力要求外，施工时采用竖转法时可先架设钢箱，自重减轻，然后浇筑顶上混凝土，因而使得施工难度减小。为此，开展了钢箱－混凝土组合梁的受力性能研究和竖向转体施工法研究，并已在几座桥梁中应用。

                         图 16 钢箱－混凝土组合拱截面示意图
        中铁大桥院在鸭池河铁路特大桥时，主桥采用436m中承式拱，拱肋拱脚段为钢筋混凝土（基本位于桥面以下）、拱顶段采用钢桁结构（基本位于桥面以上），称之为钢—混凝土结合拱桥（也可称之为钢－混凝土混合拱），改善了结构受力、方便了施工，为大跨径拱桥提供了一种新的桥型选择。
4.拱上建筑轻型化
/ v- U4 z6 y& E/ Q拱上建筑向轻型化发展，是现代混凝土拱桥的一个发展趋势。2000年以来国外修建的一些大跨度混凝土拱桥，拱上建筑采用了钢－混凝土组合桥面系，如美国的迈克·奥卡拉汉-帕特·蒂尔曼纪念大桥（图2）、德国的Wilde Gera桥、法国的Chateaubriand桥和Morbihan桥和日本的富士川桥。以克罗地亚的Skradin桥（原名Krka桥，图17）为例，跨径204m，采用钢－混凝土组合桥面系，重量仅0.94 t/m2，而相近跨径的Maslenica桥，采用预应力混凝土梁桥面系，重量达1.64 t/m2，两者相比，前者比后者桥面自重减轻了42%。
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                                               图17克罗地亚Skradin桥
        以420m跨径的万县长江大桥为背景工程，文献[48]开展了桥道系连续化、采用组合结构拱上建筑轻型化研究。与原设计在静力性能和地震响应分析的比较结果表明，桥道系连续化对减轻拱上建筑自重的效率较低，其静力性能与抗震性能提高不大；采用组合结构可使得拱上建筑自重减轻35％，减小了承载能力状态下拱圈内力和地震响应，具有相当的可行性。另有研究表明，采用超高性能混凝土的拱上建筑，取得的效果与钢－混凝土组合结构拱上建筑的效果相似。
/ g( S3 Z: a* N2 W; M) @5.施工技术发展
       拱桥的发展是与施工技术的进步分不开的。施工技术的发展使得工程师可以设计越来越多具有挑战性并且造型优美的拱桥。近十几年修建的大跨度拱桥，钢拱桥主要采用悬臂拼装技术，如2.1节中所提到的所有钢拱桥；混凝土拱桥国外主要采用悬臂浇筑法，如美国的科罗拉多河桥、西班牙的Almonte大桥，国内主要采用钢管混凝土劲性骨架法，如北盘江大桥和南盘江大桥；钢管混凝土拱桥主要采用悬臂拼装法，如合江长江一桥。因此，从大的施工方法来说，2000年以来没有新的突破，然而，技术的精细化、数值模拟、设备能力等方面均有所提高。在我国，钢管混凝土拱桥中钢管与混凝土之间的脱粘一直是困扰工程界的一个问题，合江长江一桥中提出并采用了管内混凝土灌注采用抽真空技术，开创了提高管内混凝土质量的新途径[51]。对于中小跨径的拱桥，近年来出现了一些创新的施工方法。英国贝尔法斯特女王大学和Macrete公司联合研究的柔性拱就是其中之一。柔性拱由在工厂中根据给定跨径和失高制作混凝土砌块并把砌块的一面固定在带状纤维材料上，运到现场后只需要吊起就可形成拱状，不需要支架模板（图18）。

                                 图18 柔性拱提升成型照片
       另一种适用于小跨径拱桥的施工创新，与结构创新联系在一起。它是由美国缅因大学提出，采用外包FRP管、内填混凝土组成拱肋截面，称之为外包加劲组合拱(IRCA)，本文则称之为FRP管混凝土拱，以与我国大量应用的钢管混凝土拱相呼应。FRP管很轻，在现场可由二三名工人使用轻型施工设备快速成型并安装就位，填筑管内混凝土形成上部结构，总耗时在一小时内。快速的施工方法将会减少人工费。外包加劲组合拱(IRCA)可在军事紧急施工情况下、向灾区运送救援物资时使用。图19给出了模型试验结构破坏和现场施工的照片。

(a)模型试验破坏照片(b)现场安装照片
1 o) Z3 i1 X: \$ o& b. t: f5 n图19  FRP管混凝土拱
$ g* G! j( O  P) A/ h) F       系杆拱桥常用的施工一般需要分为拱和梁进行，因此施工方法有先梁后拱或先拱后梁，但施工期较长。对于跨河桥，水上运输条件许可时，采用整体预制施工，能大大缩短工期。对于跨线桥，整体预制施工法实施难度较大。2013年，美国德克萨斯州运输部，通过采用系杆拱，减轻了预制混凝土系杆拱的整体结构自重，然后用大型的自行式移动运输车运输结构(图20)，就位后，两台相同的吊装能力为154t特大起重机在相距29m处将拱圈在旧桥的两边吊装就位。

图20 预制混凝土网状系杆拱整体运输
; V7 {: o1 a$ d% {3 p6 g8 l3 j" l（拱桥在材料、施工方法、结构形式等方面的发展趋势与参考文献详见下期）（作者单位：福州大学土木工程学院）
                    

很好的文章，受教了！

福州大学陈宝春教授的文章