拱橋作為一種古老的橋型，是所有橋梁體系中變化最多的結構形式。因為結構形式和施工方法的不斷發展豐富，拱橋能適用大到500m以上、小到100m以下的橋梁。既有適合於山區的結構形式，也有適合於平原地區的結構形式；既適用於公路、城市橋梁，也適用於鐵路橋梁；既廣泛套用於山區峽谷中，也常見於河流海洋上。古今中外拱橋遍布世界各地，至今仍然長盛不衰，在橋梁建設中占有重要地位。
從拱橋的技術發展看，新材料、新理論、新工藝和新裝備的出現，大大推動了拱橋體系及施工技術的發展，使拱橋形式多種多樣。面向中國交通基礎設施的發展需求，仍然需要建設大量的橋梁工程，無論從技術角度還是美學角度，拱橋都是不可或缺的重要組成部份。中國地域遼闊、橋梁建設環境多樣，在面對不同跨度、不同地貌、不同施工條件等一系列特定要求的時候，如何創新尋求彰顯力與美完美融合的最佳解決方案，成為建設者最有意義的工作。
有人說拱橋天生是美麗的，優美的主拱曲線孕育著強大的力量和跨越感。伴隨著時代進步與技術發展，現代拱橋的結構形式千姿百態，在國內外套用廣泛，其中不乏力與美完美結合的佳作。充分借鑒國內外的成果與經驗，對於拱橋技術與藝術的全面發展具有重要的現實意義。
上承式拱橋
在山區、海島等地質條件合適的橋位處，混凝土拱橋具有很強競爭力，不僅反映在技術經濟指標上，也常常體現在橋梁的美學價值上。大家所熟知的瑞士薩爾基那山谷橋（圖1），由瑞士工程師羅拔.馬亞爾（Robert Maillart）於1930年設計，是一座跨谷的鐮刀形上承式拱橋，主跨90m的空腹箱形三鉸拱，采用支架法施工。該橋被評為20世紀世界最美麗的橋梁。
圖1 瑞士薩爾基那山谷橋
隨著拱橋技術的進步，混凝土拱橋的世界跨徑紀錄也不斷重新整理。1980年建成通車的克羅地亞KRK大橋（圖2），將St.Marco島和Krk島與大陸連線起來，其中1號橋主跨390m、 2號橋主跨244m，均為上承式鋼筋混凝土拱橋，拱圈均采用單箱三室鋼筋混凝土截面，大橋施工創新采用了懸臂桁架拼裝法。1號橋拱肋高6.0m、高跨比1/65，2號橋拱肋高4.0m、高跨比1/61。柔美的拱曲線與直線形的梁柱，雙拱間隔排列，呈現出剛柔並濟、韻律優美的景觀。
圖2 克羅地亞KRK大橋
2016年建成的西班牙阿爾蒙特高架橋（圖3），全長996m，搭載高速列車穿越阿爾蒙特河，主拱跨度384m，主拱矢高67.5m，矢跨比1/5.7。為了兼顧鐵路對橫向剛度的要求以及工程經濟性，主拱采用了分離雙箱截面、提籃式布置形式，雙箱拱肋在拱頂合二為一。拱肋截面在拱腳處高6.9m、高跨比1/55.7，在拱頂處高4.8m、高跨比1/80。拱上橋面系為靜不定結構，跨徑布置為（45+7×42+45）m，采用預應力混凝土箱梁截面。為了提高橋面系縱向剛度、抵抗列車制動力，在拱頂附近17m長度範圍與拱肋截面固結，形成整體式斷面。結構處理簡潔、精巧，梁與拱在拱頂縱向固結、提籃式拱肋橫向呈三角形布置，給人以強烈的力度與穩定感，體現了力與美的完美結合，躍動的主跨令人驚嘆。
圖3 西班牙阿爾蒙特高架橋
瑞士塔米納（Tamina）峽谷大橋（圖4）位於聖加倫行政區南部，塔米納河流經的深切山谷將高原及居民分開，2005年當地決定修建橋梁。為了使大橋更好地融合到自然環境，處理好與周邊及當地環境敏感要素是最重要的。此外，該河谷是棲息地保護區，橋下區域就屬於巖羚羊保護區，要求施工階段對自然資源影響盡可能小。當地舉行了國際設計競賽，方案必須符合技術可行、外觀出眾、經濟實用的標準，最後斜拱+拱上斜立柱方案獲得方案競賽第一名。大橋的上部結構總長414m，橋寬9.5m。主拱跨度260m。兩半拱的拱腳不在同一高程，為了保證拱頂水平推力相等，兩個半拱采用不同的跨度和矢跨比。斜立柱與梁拱固結，為釋放溫度作用產生的過大彎矩，短立柱設定了混凝土鉸。
圖4 瑞士塔米納峽谷大橋
大橋結構通透、簡潔、高雅，施工簡便、造價經濟。大橋創新的結構設計給人以新鮮感，給大橋帶來更多的審美情趣。
2002年建成的葡萄牙亨歷克大橋（圖5），為目前最大跨徑的倒朗格爾拱橋，大橋全長371m，主跨280m，橋面總寬20m。主拱圈采用等高、變寬箱形結構，拱高1.5m，主梁采用預應力混凝土單室箱梁，梁高4.5m。跨中範圍內70m長節段，主拱與主梁結合在一起，形成一個6m高的箱形結構，其每延米的自重僅為其他節段的一半，大大減輕了結構自重。大橋為剛性梁柔性拱（倒朗格爾拱）結構，橋面受力類似於彈性支撐連續梁，對於抵抗豎向荷載起到了很大作用，從而避免了活載作用下拱的壓力線與拱軸線偏離太大，有利於結構受力。
圖5 葡萄牙亨歷克大橋
倒朗格爾拱已經不是拱為受力主體、拱上建築為傳力結構的典型拱橋，但仍然充分發揮了拱的作用。盡管亨歷克大橋不是第一座采用倒朗格爾體系的拱橋，但大橋與自然環境的完美融合、較大的主跨跨度、較小的矢跨比，帶給人們強烈超邏輯的直覺感受，並具有力量感與震懾性，令人油然而生異乎尋常的體驗。
鋼拱橋在現代橋梁建設中占有重要地位，從20世紀初開始獲得了快速發展，其中不乏具有世界影響的橋梁。1977年通車的美國新河谷橋（圖6），跨越美國西維珍尼亞州立公園，橋梁全長924m，主跨518m，矢跨比為1/4.6，主拱結構采用U.S.S低合金高強度鋼，具有較好的抗腐蝕能力，提高了全壽命周期經濟性。橋面系主梁采用連續鋼桁梁結構，拱上立柱采用框架柱，最高達122m。大橋結構輕巧優雅、通透性好，完全沒有沈重笨拙之感；大橋造型、色彩與周邊保持和諧，與環境中的山水元素相得益彰。
圖6 美國新河谷橋
1941年通車的彩虹橋（圖7），橫跨尼亞加拉河，共有4條行車道及人行道，橋梁總長度442m，主跨289.5m。主拱采用無鉸鋼箱肋拱，兩條肋拱橫向間距17m，肋拱高4m、高跨比1/72。兩條肋拱之間采用上、下兩層K撐進行連線。大橋位於尼亞加拉大瀑布附近，線條輕盈、色彩淡然，橫跨裂谷之間的河道，融於自然環境之中。
圖7 美國尼亞加拉彩虹橋
日本天龍峽大橋於2019年通車，為上承式鋼箱拱橋，主拱跨度210m，矢跨比1/11，是一座非常平坦的拱橋。受地形和道路線形的制約，橋面處於曲線上。大橋采用提籃式特殊拱橋，拱腳存在高差，主拱兩片拱肋橫向不對稱，主梁平面為R=1700m曲線、立面縱坡為3.84%。拱肋截面高度為2.5m、高跨比1/84。橋梁設計考慮降低壓迫感（橋梁形式，構造骨架，細節與色彩等），將施工地形改變控制在最小限度。為了減輕橋梁的存在感，將立柱及下平聯結構的構件數量最小化、布置簡單化。在橋梁形式的選擇和設計中，充分考慮橋梁與峽谷地形的融合、不阻礙背後的地平線等因素，謀求對名勝本身價值的負面影響控制在最小限度。
圖8 日本天龍峽大橋
中承式拱橋
中承式拱橋套用廣泛，其中混凝土中承式拱橋相對較少，但這其中2005年通車的挪威新斯文森德大橋（圖9），是一座結構與美學方面十分突出的代表。大橋概念設計階段由建築師和橋梁工程師密切合作，提出的建築理念向橋梁工程師提出挑戰，使其成為一個與眾不同的結構，並成為當地的標誌性建築。
圖9 挪威新斯文森德大橋
主拱的跨度247.3m，透過仔細研究拱的美學和結構方面，建築師希望拱肋盡可能做得纖細。為了改善結構的側向穩定性和抗屈曲效能，與單獨的自由拱相比，拱肋固定在橋面結構（主梁）上，顯著減小了拱肋側向位移、提高了整體穩定性。單片中心拱方案增加了結構構件的可見性，橋面下沒有豎向立柱，在分體鋼箱梁之間是連續的拱結構。系列措施使得橋梁結構簡潔明快，從所有視角都可以看到清晰的線條。大橋結構體系與造型的創新，突出了橋梁結構之美，給橋梁帶來更多有價值的體驗。
西班牙的La Vicaria橋（圖10），拱橋跨度168m，主梁全長采用連續布置。雖然跨度不大，但其組合梁的結構形式、耐候鋼的套用、施工方法以及輕盈的結構造型等，令人印象深刻。拱肋的高跨比在拱頂處為1/140、在拱腳處為1/70。拱肋非常纖細也意味著整體結構較柔，需要充分關註橋梁在施工期間和使用期間的結構變形。為此在橋台處設定臨時支撐和錨固系統，並確保施工時的荷載平衡；橋梁在橋台處安裝阻尼裝置，使得橋面結構能夠幫助拱肋抵抗非對稱變形。為使得拱肋外形顯得纖細和充滿美感，充分利用組合截面的優勢。矩形拱肋截面切角和設定凹槽產生明暗交叉的輪廓線，尤其是在周圍雜亂的自然環境下，更襯托出橋梁的簡潔外形和幾何美學。
圖10 西班牙La Vicaria橋
2018年5月竣工通車的日本天城大橋主拱跨度350m的中承式鋼拱橋，兩側邊跨采用預應力混凝土T形剛構，與鋼梁構成混合梁的特殊結構形式。T形剛構采用懸臂法施工，相應拱上段主梁自重恒載直接由剛構墩承受，不僅減小了主拱所承受的豎向荷載，而且拱跨主梁與邊跨主梁連續布置，提高了主拱受力穩定、抗震效能和行車舒適性，結果也提高了橋梁的經濟性。結構受力的最佳化，減小了主拱的受力，拱肋高度2.8m、高跨比1/125；主拱兩側拱上立柱得以取消，使得大橋結構簡潔明快、造型輕盈。清晰合理、安全可靠的結構體系，充分展現了大橋的結構之美。
圖11 日本天城大橋
以上3座中承式拱橋均為推力拱橋，常以三跨形式出現的部份推力拱橋也有不少經典之作，美國弗裏蒙特橋和日本木津川新橋就是其中的代表。
美國弗裏蒙特橋（圖12）為三跨連拱橋，主跨382.6m，三跨全長約655m，采用梁拱固結體系，兩主墩處拱腳與橋墩之間設定銷鉸支承釋放轉動約束。上層正交異性鋼橋面承載4車道，並與系梁共同受力。下層鋼筋混凝土橋面板承載4車道。矩形鋼箱拱肋寬1.22m、腹板高1.17m、上下翼緣最厚處57mm。采用拱肋與主梁固結的結構體系，在梁拱固結點之間的結構，施工時先成為「系桿拱橋」，該範圍結構的拱肋水平分力由主梁平衡，不再傳遞到拱腳由橋墩與基礎平衡。
圖12 美國弗裏蒙特橋
弗裏蒙特橋清晰的結構體系與合理的結構安裝順序，實作了恒載情況下梁拱主要承受軸力的合理性，以及結構受力在構件之間的合理分配，降低了營運荷載下的不利作用。拱肋高跨比僅為約1/300，十分細柔的主拱尺度，帶給人們超常的視覺感受。
三跨連拱多為部份推力結構體系拱橋，無推力自平衡體系三跨連拱並不多見，但在軟弱地基條件下，合理選擇梁拱組合形式以及施工方法，可以最大程度發揮拱橋的技術經濟優勢。日本木津川新橋（圖13）除了經濟性和可施工性外，主橋還考慮到景觀方面的要求。大橋主跨305m，主跨較大且地基條件軟弱，若采用有推力和部份推力約束體系，對拱橋技術經濟性非常不利，因此選擇無縱向推力的平衡拱結構。采用梁拱固結布置，中跨吊索采用網狀布置，兩側三角區采用豎直立柱。中間部份在架設時拼裝成 「系桿拱橋」的結構形式，發揮拱橋的受力優勢。在謀求減少拱橋鋼材用量的同時，使大節段構件整體架設成為可能。該中承式拱橋是兼顧航道條件和景觀的最佳形式，簡潔優雅的形態以及合理的空間尺度比例，使得大橋韻律優美、風姿綽約。
圖13 日本木津川新橋
下承式拱橋
系桿拱橋歷經長期發展，結構形式日益豐富，與施工方法相互結合，不斷創造出造價更低、造型更加優雅的橋梁。這些橋梁以結構美為美學基本元素，或以輕盈靈動的線條打動人們的心靈，或以結構和造型創新帶給人們異乎尋常體驗與震撼。
系桿拱橋在建築高度受到限制時，更能展示技術經濟優勢。意大利的馬爾凱蒂高架橋主跨250m系桿拱橋（圖14），采用中心單片拱肋的布置，主梁和拱肋之間設定26根吊索。橋面全寬41.1m，主縱梁采用鋼箱結構，底寬6m、高6.7m，鋼箱頂面高於橋面，橋面高度由橫向受力控制，較強的中心鋼箱梁滿足縱向受力、橫向抗扭等要求。大橋采用頂推方法進行施工，主梁在岸上陸續拼裝並適時頂推，直至全部就位。在主梁施工過程中，適時在梁上搭載拱肋節段，隨主梁頂推到橋位後，再用吊機進行拱肋安裝。大橋結合工程實際合理選擇梁與拱的剛度，實作了荷載在梁拱之間適當分配，滿足了結構造型、施工等特殊要求。
圖14 意大利馬爾凱蒂高架橋
2010年建成的挪威布蘭德昂格桑德橋（圖15），主跨220ｍ。拱肋采用鋼管拱，外徑為711mm，壁厚40～50mm。主梁為纖細的預應力混凝土梁，總寬7.6ｍ，行車道部份寬5ｍ。網狀吊桿布置，吊桿在拱肋上等間距錨固，吊桿之間的夾角為70°。拱肋和系梁高度之和與跨度之比 λ2=1/198。主跨結構僅重1860t，在岸邊施工完成後，采用2台浮吊運至橋位處架設就位。該橋以令人驚嘆的方式展示出，超常纖細的拱和系梁，透過網狀吊桿拱橋的有利承載行為可以實作。
圖15 挪威布蘭德昂格桑德橋
2013年建成荷蘭尼美根城市大橋（圖16），主跨285m，拱肋矢高60m。橋梁寬度為27.6m～33.9m。橋面結為箱形結構，中心線處梁高為1.77m。兩側鋼主縱梁為箱形結構，梁高2.2m。主拱肋在接近橋面處分岔形成「A」形結構，拱肋內部填滿泡沫混凝土，拱肋截面變高變寬。采用2×30根網狀吊索與主縱梁連線。拱肋和系梁高度之和與跨度之比λ2=1/71。在一側河岸搭設臨時支架，完成拱橋結構拼裝，采用浮船運輸就位。
圖16 荷蘭尼美根城市大橋
2014年通車的俄羅斯布格林斯基橋（圖17），是世界上最大跨度網狀吊桿拱橋，主跨380m。橋面寬36.9m，雙向6車道，車道總寬32.5m，兩側人行道寬1.5m。拱肋矢高約72.7m，矢跨比為1/5 ，拱軸線采用半徑300m圓弧線。拱肋內傾12°，采用箱形截面，2m×3.9m（寬×高），節段間高強螺栓連線。鋼系梁采用雙邊箱及雙工字梁斷面，橋面采用正交異性鋼橋面。主橋156根網狀吊桿，拱上錨點間距10m，吊桿傾角統一取為60°。主拱的施工方法是將拱肋沿半徑為290m的豎向圓曲線頂推。從景觀角度看，主拱的跨度與河道寬度比例恰好，而且拱形也是新西伯利亞市的標誌性建築符號，且其城市徽章上也刻有拱橋。因此，拱橋方案也象征城市歷史的延續。
圖17 俄羅斯布格林斯基橋
隨著中國未來交通基礎設施的進一步發展，還將面臨大量的橋梁建設任務，中國地域遼闊、橋梁建設環境多樣，拱橋作為重要的橋型之一，因其豐富的多樣性而具備巨大的發展空間，技術與藝術上都需要不斷進步和拓展。橋梁作為功能性與地標性建築，附著強烈的審美內容，常常吸引社會大眾的目光。拱橋是富有韻律的橋型，比其他橋型更易與環境協調，外部形態和韻律變化更符合人們的美感要求。因此，拱橋在實作連通功能基礎上，無論矗立在江河之上、貫通在峽谷之間、穿越在城市之中，都應該力爭成為具有獨特魅力的建築藝術。
本文刊載 / 【橋梁】雜誌
2024年 第1期 總第117期
作者 / 邵長宇
作者單位 / 上海市政工程設計研究總院
