通常在地理环境优良的时候优先选用无铰拱桥,因其结构简单,成本较低。但是在有些地理位置不好的情况下,就得建造铰拱桥。单铰拱桥为铰拱桥中的一种。使用场合较少。

概念通常所建造的拱桥是无铰拱桥,其结构刚度大,构造简单,施工方便,维护费用少。但是,当温度变化、材料收缩、结构变形以及墩台位移等,会造成拱桥产生较大的附加内力。因此无铰拱桥一般希望建造在地基条件良好的地方。当建桥地理位置条件不好的时候,常会建造铰拱桥。铰拱桥类型有三种,分别是:三铰拱桥、两铰拱桥和单铰拱桥。其中单铰拱桥运用较少。1

铰拱桥如果遇到地质条件不良的情况,墩台基础可能发生位移,而且还要采用拱桥形式,特别是坦拱桥。为了减小各种原因引起的附加内力,常采用铰拱桥。

铰拱桥有三铰拱桥、两铰拱桥、单铰拱桥等形式,如图1所示。

由于铰拱桥的存在,使其构造复杂,施工困难,维护费用高。与无铰拱桥相比,整体刚度降低,削弱了抗振能力。而且对三铰拱桥来说,由于拱圈挠度曲线在拱部铰上面有转折,使拱顶铰处的桥面下沉,当车辆通过时,会发生大的冲击。对行车不利。

总的来说,铰拱桥建造的比较少。德国在1934年建造了MoseI钢筋混凝土三铰拱桥,为敞肩双室箱肋,跨度达107m。日本1974年建造了双铰拱的外津桥,跨度170m。单铰拱桥很少。法国的L’artuby桥为单铰拱桥,跨径110m。

我国仅在一些较小跨度的拱桥上采用铰拱桥形式。

铰拱桥的拱铰,按其作用可分为永久性的和临时性的。永久性拱铰应满足设计计算的要求,并能保证长期的正常使用。临时性拱铰是在施工过程中,为消除或减少主拱的部分附加应力,以及对主拱内力作适当调整时,在拱顶和拱脚设置的铰。施工结束时,则把临时性铰封固,因而构造也简单。1

拱铰形式弧形铰对于钢筋混凝土、石料做成的拱铰,如图2所示。一般由两个不同半径的弧形表面块件合成。一个为凹面(曲率半径为R2),一个为凸面(曲率半径为R1)。铰的宽度等于拱圈的宽度,R2与R1的比值在1.2~1.5之间。沿拱轴线方向的长度为拱厚的1.15~1.20倍。设计时应验算接触面的承压应力和横向拉应力。弧形铰圆筒形表面相互位移时,压力线的作用点就发生偏离,在靠近的拱段中将产生附加弯矩。所以铰的接触面要求精确加工,以保证紧密结合。

铅垫铰采用锌、铜薄片(1~2cm)做包皮、铅板做芯(1.5~2cm)的铅垫板拱铰,是利用铅的塑性变形,容许支承截面自由转动来实现铰功能,如图3所示。在垫板中心,设置一根锚杆,保证压力正对中心且能承受一定剪力,又不妨碍铰的转动。1

平铰平铰是平面相接,构造简单,适用于小跨度的拱圈,敞肩拱桥的腹拱圈采用铰拱者可采用平铰。铰的接缝间可以垫衬油毛毡,如图4所示。1

不完全铰对于跨径不大的拱圈或人行拱桥,可以采用不完全铰(缩颈铰),由于拱铰处的拱截面急剧地减窄,使得支承截面处能够转动而起到铰的作用,如图5所示。截面减窄处将发生很大应力,颈缩部分可能会开裂,可以配筋加强。1

拱桥的分类按照由拱的作用所发生的水平推力直接传布至基础地基上或由系杆分担,或者按照拱肋形式可分类如下(图6):2

其中按照结构体系分类参考图7。按照拱肋形式的分类参考图8。

各种拱桥形式的特点三铰拱桥在日本只有樱宫桥是三铰拱桥。架桥地点的地基虽然不好,,但在认为必需采用拱系桥梁时,三铰拱仍是不可缺少的结构。因为桥面系结构顺着桥长方向的弹性曲线,在顶部铰处下沉而对高速公路和铁路桥梁发生大的冲击,这是其主要缺点,而且,顶部铰从构造与维护方面来说也不理想。2

两铰拱桥这是无论在铁路、公路及高速公路中广泛采用的拱结构。实肋拱的最大跨度约200米,超过这样的跨度一般可用桁架式的桁肋拱。但是在的捷克斯洛伐克的Zdakov的Moldau桥,其拱的净跨虽然是330米,但用了箱形截面的实肋。此外根据Stassi教授的意见,采用St52钢的桁肋拱的最大跨度约为570米。2

单铰拱桥单铰拱桥在理论上是可能的,三浦七郎(战前,作为钢桥3卷的著者负有名望)特别对这方面进行过研究,在宫崎亦曾经建造了一座单铰拱桥,但是没有见过其它的例子。这座桥因下游建水坝而淹没,现在已看不见了。2

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王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所