拱桥作为一种古老的桥型，是所有桥梁体系中变化最多的结构形式。因为结构形式和施工方法的不断发展丰富，拱桥能适用大到500m以上、小到100m以下的桥梁。既有适合于山区的结构形式，也有适合于平原地区的结构形式；既适用于公路、城市桥梁，也适用于铁路桥梁；既广泛应用于山区峡谷中，也常见于河流海洋上。古今中外拱桥遍布世界各地，至今仍然长盛不衰，在桥梁建设中占有重要地位。
从拱桥的技术发展看，新材料、新理论、新工艺和新装备的出现，大大推动了拱桥体系及施工技术的发展，使拱桥形式多种多样。面向我国交通基础设施的发展需求，仍然需要建设大量的桥梁工程，无论从技术角度还是美学角度，拱桥都是不可或缺的重要组成部分。中国地域辽阔、桥梁建设环境多样，在面对不同跨度、不同地貌、不同施工条件等一系列特定要求的时候，如何创新寻求彰显力与美完美融合的最佳解决方案，成为建设者最有意义的工作。
有人说拱桥天生是美丽的，优美的主拱曲线孕育着强大的力量和跨越感。伴随着时代进步与技术发展，现代拱桥的结构形式千姿百态，在国内外应用广泛，其中不乏力与美完美结合的佳作。充分借鉴国内外的成果与经验，对于拱桥技术与艺术的全面发展具有重要的现实意义。
上承式拱桥
在山区、海岛等地质条件合适的桥位处，混凝土拱桥具有很强竞争力，不仅反映在技术经济指标上，也常常体现在桥梁的美学价值上。大家所熟知的瑞士萨尔基那山谷桥（图1），由瑞士工程师罗伯特.马亚尔（Robert Maillart）于1930年设计，是一座跨谷的镰刀形上承式拱桥，主跨90m的空腹箱形三铰拱，采用支架法施工。该桥被评为20世纪世界最美丽的桥梁。
图1 瑞士萨尔基那山谷桥
随着拱桥技术的进步，混凝土拱桥的世界跨径纪录也不断刷新。1980年建成通车的克罗地亚KRK大桥（图2），将St.Marco岛和Krk岛与大陆连接起来，其中1号桥主跨390m、 2号桥主跨244m，均为上承式钢筋混凝土拱桥，拱圈均采用单箱三室钢筋混凝土截面，大桥施工创新采用了悬臂桁架拼装法。1号桥拱肋高6.0m、高跨比1/65，2号桥拱肋高4.0m、高跨比1/61。柔美的拱曲线与直线形的梁柱，双拱间隔排列，呈现出刚柔并济、韵律优美的景观。
图2 克罗地亚KRK大桥
2016年建成的西班牙阿尔蒙特高架桥（图3），全长996m，搭载高速列车穿越阿尔蒙特河，主拱跨度384m，主拱矢高67.5m，矢跨比1/5.7。为了兼顾铁路对横向刚度的要求以及工程经济性，主拱采用了分离双箱截面、提篮式布置形式，双箱拱肋在拱顶合二为一。拱肋截面在拱脚处高6.9m、高跨比1/55.7，在拱顶处高4.8m、高跨比1/80。拱上桥面系为超静定结构，跨径布置为（45+7×42+45）m，采用预应力混凝土箱梁截面。为了提高桥面系纵向刚度、抵抗列车制动力，在拱顶附近17m长度范围与拱肋截面固结，形成整体式断面。结构处理简洁、精巧，梁与拱在拱顶纵向固结、提篮式拱肋横向呈三角形布置，给人以强烈的力度与稳定感，体现了力与美的完美结合，跃动的主跨令人惊叹。
图3 西班牙阿尔蒙特高架桥
瑞士塔米纳（Tamina）峡谷大桥（图4）位于圣加伦行政区南部，塔米纳河流经的深切山谷将高原及居民分开，2005年当地决定修建桥梁。为了使大桥更好地融合到自然环境，处理好与周边及当地环境敏感要素是最重要的。此外，该河谷是栖息地保护区，桥下区域就属于岩羚羊保护区，要求施工阶段对自然资源影响尽可能小。当地举行了国际设计竞赛，方案必须符合技术可行、外观出众、经济实用的标准，最后斜拱+拱上斜立柱方案获得方案竞赛第一名。大桥的上部结构总长414m，桥宽9.5m。主拱跨度260m。两半拱的拱脚不在同一高程，为了保证拱顶水平推力相等，两个半拱采用不同的跨度和矢跨比。斜立柱与梁拱固结，为释放温度作用产生的过大弯矩，短立柱设置了混凝土铰。
图4 瑞士塔米纳峡谷大桥
大桥结构通透、简洁、高雅，施工简便、造价经济。大桥创新的结构设计给人以新鲜感，给大桥带来更多的审美情趣。
2002年建成的葡萄牙亨里克大桥（图5），为目前最大跨径的倒朗格尔拱桥，大桥全长371m，主跨280m，桥面总宽20m。主拱圈采用等高、变宽箱形结构，拱高1.5m，主梁采用预应力混凝土单室箱梁，梁高4.5m。跨中范围内70m长节段，主拱与主梁结合在一起，形成一个6m高的箱形结构，其每延米的自重仅为其他节段的一半，大大减轻了结构自重。大桥为刚性梁柔性拱（倒朗格尔拱）结构，桥面受力类似于弹性支撑连续梁，对于抵抗竖向荷载起到了很大作用，从而避免了活载作用下拱的压力线与拱轴线偏离太大，有利于结构受力。
图5 葡萄牙亨里克大桥
倒朗格尔拱已经不是拱为受力主体、拱上建筑为传力结构的典型拱桥，但仍然充分发挥了拱的作用。尽管亨里克大桥不是第一座采用倒朗格尔体系的拱桥，但大桥与自然环境的完美融合、较大的主跨跨度、较小的矢跨比，带给人们强烈超逻辑的直觉感受，并具有力量感与震慑性，令人油然而生异乎寻常的体验。
钢拱桥在现代桥梁建设中占有重要地位，从20世纪初开始获得了快速发展，其中不乏具有世界影响的桥梁。1977年通车的美国新河谷桥（图6），跨越美国西弗吉尼亚州立公园，桥梁全长924m，主跨518m，矢跨比为1/4.6，主拱结构采用U.S.S低合金高强度钢，具有较好的抗腐蚀能力，提高了全寿命周期经济性。桥面系主梁采用连续钢桁梁结构，拱上立柱采用框架柱，最高达122m。大桥结构轻巧优雅、通透性好，完全没有沉重笨拙之感；大桥造型、色彩与周边保持和谐，与环境中的山水元素相得益彰。
图6 美国新河谷桥
1941年通车的彩虹桥（图7），横跨尼亚加拉河，共有4条行车道及人行道，桥梁总长度442m，主跨289.5m。主拱采用无铰钢箱肋拱，两条肋拱横向间距17m，肋拱高4m、高跨比1/72。两条肋拱之间采用上、下两层K撑进行连接。大桥位于尼亚加拉大瀑布附近，线条轻盈、色彩淡然，横跨裂谷之间的河道，融于自然环境之中。
图7 美国尼亚加拉彩虹桥
日本天龙峡大桥于2019年通车，为上承式钢箱拱桥，主拱跨度210m，矢跨比1/11，是一座非常平坦的拱桥。受地形和道路线形的制约，桥面处于曲线上。大桥采用提篮式特殊拱桥，拱脚存在高差，主拱两片拱肋横向不对称，主梁平面为R=1700m曲线、立面纵坡为3.84%。拱肋截面高度为2.5m、高跨比1/84。桥梁设计考虑降低压迫感（桥梁形式，构造骨架，细节与色彩等），将施工地形改变控制在最小限度。为了减轻桥梁的存在感，将立柱及下平联结构的构件数量最小化、布置简单化。在桥梁形式的选择和设计中，充分考虑桥梁与峡谷地形的融合、不阻碍背后的地平线等因素，谋求对名胜本身价值的负面影响控制在最小限度。
图8 日本天龙峡大桥
中承式拱桥
中承式拱桥应用广泛，其中混凝土中承式拱桥相对较少，但这其中2005年通车的挪威新斯文森德大桥（图9），是一座结构与美学方面十分突出的代表。大桥概念设计阶段由建筑师和桥梁工程师密切合作，提出的建筑理念向桥梁工程师提出挑战，使其成为一个与众不同的结构，并成为当地的标志性建筑。
图9 挪威新斯文森德大桥
主拱的跨度247.3m，通过仔细研究拱的美学和结构方面，建筑师希望拱肋尽可能做得纤细。为了改善结构的侧向稳定性和抗屈曲性能，与单独的自由拱相比，拱肋固定在桥面结构（主梁）上，显著减小了拱肋侧向位移、提高了整体稳定性。单片中心拱方案增加了结构构件的可见性，桥面下没有竖向立柱，在分体钢箱梁之间是连续的拱结构。系列措施使得桥梁结构简洁明快，从所有视角都可以看到清晰的线条。大桥结构体系与造型的创新，突出了桥梁结构之美，给桥梁带来更多有价值的体验。
西班牙的La Vicaria桥（图10），拱桥跨度168m，主梁全长采用连续布置。虽然跨度不大，但其组合梁的结构形式、耐候钢的应用、施工方法以及轻盈的结构造型等，令人印象深刻。拱肋的高跨比在拱顶处为1/140、在拱脚处为1/70。拱肋非常纤细也意味着整体结构较柔，需要充分关注桥梁在施工期间和使用期间的结构变形。为此在桥台处设置临时支撑和锚固系统，并确保施工时的荷载平衡；桥梁在桥台处安装阻尼装置，使得桥面结构能够帮助拱肋抵抗非对称变形。为使得拱肋外形显得纤细和充满美感，充分利用组合截面的优势。矩形拱肋截面切角和设置凹槽产生明暗交叉的轮廓线，尤其是在周围杂乱的自然环境下，更衬托出桥梁的简洁外形和几何美学。
图10 西班牙La Vicaria桥
2018年5月竣工通车的日本天城大桥主拱跨度350m的中承式钢拱桥，两侧边跨采用预应力混凝土T形刚构，与钢梁构成混合梁的特殊结构形式。T形刚构采用悬臂法施工，相应拱上段主梁自重恒载直接由刚构墩承受，不仅减小了主拱所承受的竖向荷载，而且拱跨主梁与边跨主梁连续布置，提高了主拱受力稳定、抗震性能和行车舒适性，结果也提高了桥梁的经济性。结构受力的优化，减小了主拱的受力，拱肋高度2.8m、高跨比1/125；主拱两侧拱上立柱得以取消，使得大桥结构简洁明快、造型轻盈。清晰合理、安全可靠的结构体系，充分展现了大桥的结构之美。
图11 日本天城大桥
以上3座中承式拱桥均为推力拱桥，常以三跨形式出现的部分推力拱桥也有不少经典之作，美国弗里蒙特桥和日本木津川新桥就是其中的代表。
美国弗里蒙特桥（图12）为三跨连拱桥，主跨382.6m，三跨全长约655m，采用梁拱固结体系，两主墩处拱脚与桥墩之间设置销铰支承释放转动约束。上层正交异性钢桥面承载4车道，并与系梁共同受力。下层钢筋混凝土桥面板承载4车道。矩形钢箱拱肋宽1.22m、腹板高1.17m、上下翼缘最厚处57mm。采用拱肋与主梁固结的结构体系，在梁拱固结点之间的结构，施工时先成为「系杆拱桥」，该范围结构的拱肋水平分力由主梁平衡，不再传递到拱脚由桥墩与基础平衡。
图12 美国弗里蒙特桥
弗里蒙特桥清晰的结构体系与合理的结构安装顺序，实现了恒载情况下梁拱主要承受轴力的合理性，以及结构受力在构件之间的合理分配，降低了运营荷载下的不利作用。拱肋高跨比仅为约1/300，十分细柔的主拱尺度，带给人们超常的视觉感受。
三跨连拱多为部分推力结构体系拱桥，无推力自平衡体系三跨连拱并不多见，但在软弱地基条件下，合理选择梁拱组合形式以及施工方法，可以最大程度发挥拱桥的技术经济优势。日本木津川新桥（图13）除了经济性和可施工性外，主桥还考虑到景观方面的要求。大桥主跨305m，主跨较大且地基条件软弱，若采用有推力和部分推力约束体系，对拱桥技术经济性非常不利，因此选择无纵向推力的平衡拱结构。采用梁拱固结布置，中跨吊索采用网状布置，两侧三角区采用竖直立柱。中间部分在架设时拼装成 「系杆拱桥」的结构形式，发挥拱桥的受力优势。在谋求减少拱桥钢材用量的同时，使大节段构件整体架设成为可能。该中承式拱桥是兼顾航道条件和景观的最佳形式，简洁优雅的形态以及合理的空间尺度比例，使得大桥韵律优美、风姿绰约。
图13 日本木津川新桥
下承式拱桥
系杆拱桥历经长期发展，结构形式日益丰富，与施工方法相互结合，不断创造出造价更低、造型更加优雅的桥梁。这些桥梁以结构美为美学基本元素，或以轻盈灵动的线条打动人们的心灵，或以结构和造型创新带给人们异乎寻常体验与震撼。
系杆拱桥在建筑高度受到限制时，更能展示技术经济优势。意大利的马尔凯蒂高架桥主跨250m系杆拱桥（图14），采用中心单片拱肋的布置，主梁和拱肋之间设置26根吊索。桥面全宽41.1m，主纵梁采用钢箱结构，底宽6m、高6.7m，钢箱顶面高于桥面，桥面高度由横向受力控制，较强的中心钢箱梁满足纵向受力、横向抗扭等要求。大桥采用顶推方法进行施工，主梁在岸上陆续拼装并适时顶推，直至全部就位。在主梁施工过程中，适时在梁上搭载拱肋节段，随主梁顶推到桥位后，再用吊机进行拱肋安装。大桥结合工程实际合理选择梁与拱的刚度，实现了荷载在梁拱之间适当分配，满足了结构造型、施工等特殊要求。
图14 意大利马尔凯蒂高架桥
2010年建成的挪威布兰德昂格桑德桥（图15），主跨220ｍ。拱肋采用钢管拱，外径为711mm，壁厚40～50mm。主梁为纤细的预应力混凝土梁，总宽7.6ｍ，行车道部分宽5ｍ。网状吊杆布置，吊杆在拱肋上等间距锚固，吊杆之间的夹角为70°。拱肋和系梁高度之和与跨度之比 λ2=1/198。主跨结构仅重1860t，在岸边施工完成后，采用2台浮吊运至桥位处架设就位。该桥以令人惊叹的方式展示出，超常纤细的拱和系梁，通过网状吊杆拱桥的有利承载行为可以实现。
图15 挪威布兰德昂格桑德桥
2013年建成荷兰奈梅亨城市大桥（图16），主跨285m，拱肋矢高60m。桥梁宽度为27.6m～33.9m。桥面结为箱形结构，中心线处梁高为1.77m。两侧钢主纵梁为箱形结构，梁高2.2m。主拱肋在接近桥面处分岔形成「A」形结构，拱肋内部填满泡沫混凝土，拱肋截面变高变宽。采用2×30根网状吊索与主纵梁连接。拱肋和系梁高度之和与跨度之比λ2=1/71。在一侧河岸搭设临时支架，完成拱桥结构拼装，采用浮船运输就位。
图16 荷兰奈梅亨城市大桥
2014年通车的俄罗斯布格林斯基桥（图17），是世界上最大跨度网状吊杆拱桥，主跨380m。桥面宽36.9m，双向6车道，车道总宽32.5m，两侧人行道宽1.5m。拱肋矢高约72.7m，矢跨比为1/5 ，拱轴线采用半径300m圆弧线。拱肋内倾12°，采用箱形截面，2m×3.9m（宽×高），节段间高强螺栓连接。钢系梁采用双边箱及双工字梁断面，桥面采用正交异性钢桥面。主桥156根网状吊杆，拱上锚点间距10m，吊杆倾角统一取为60°。主拱的施工方法是将拱肋沿半径为290m的竖向圆曲线顶推。从景观角度看，主拱的跨度与河道宽度比例恰好，而且拱形也是新西伯利亚市的标志性建筑符号，且其城市徽章上也刻有拱桥。因此，拱桥方案也象征城市历史的延续。
图17 俄罗斯布格林斯基桥
随着我国未来交通基础设施的进一步发展，还将面临大量的桥梁建设任务，中国地域辽阔、桥梁建设环境多样，拱桥作为重要的桥型之一，因其丰富的多样性而具备巨大的发展空间，技术与艺术上都需要不断进步和拓展。桥梁作为功能性与地标性建筑，附着强烈的审美属性，常常吸引社会大众的目光。拱桥是富有韵律的桥型，比其他桥型更易与环境协调，外部形态和韵律变化更符合人们的美感要求。因此，拱桥在实现连通功能基础上，无论矗立在江河之上、贯通在峡谷之间、穿越在城市之中，都应该力争成为具有独特魅力的建筑艺术。
本文刊载 / 【桥梁】杂志
2024年 第1期 总第117期
作者 / 邵长宇
作者单位 / 上海市政工程设计研究总院
