概念
通常所建造的拱橋是無鉸拱橋,其結構剛度大,構造簡單,施工方便,維護費用少。但是,當溫度變化、材料收縮、結構變形以及墩台位移等,會造成拱橋產生較大的附加內力。因此無鉸拱橋一般希望建造在地基條件良好的地方。當建橋地理位置條件不好的時候,常會建造鉸拱橋。鉸拱橋類型有三種,分別是:三鉸拱橋、兩鉸拱橋和單鉸拱橋。其中單鉸拱橋運用較少。
鉸拱橋
如果遇到地質條件不良的情況,墩台基礎可能發生位移,而且還要採用拱橋形式,特別是坦拱橋。為了減小各種原因引起的附加內力,常採用鉸拱橋。
鉸拱橋有三鉸拱橋、兩鉸拱橋、單鉸拱橋等形式,如圖1所示。
由於鉸拱橋的存在,使其構造複雜,施工困難,維護費用高。與無鉸拱橋相比,整體剛度降低,削弱了抗振能力。而且對三鉸拱橋來說,由於拱圈撓度曲線在拱部鉸上面有轉折,使拱頂鉸處的橋面下沉,當車輛通過時,會發生大的衝擊。對行車不利。
總的來說,鉸拱橋建造的比較少。德國在1934年建造了MoseI鋼筋混凝土三鉸拱橋,為敞肩雙室箱肋,跨度達107m。日本1974年建造了雙鉸拱的外津橋,跨度170m。單鉸拱橋很少。法國的L’artuby橋為單鉸拱橋,跨徑110m。
我國僅在一些較小跨度的拱橋上採用鉸拱橋形式。
鉸拱橋的拱鉸,按其作用可分為永久性的和臨時性的。永久性拱鉸應滿足設計計算的要求,並能保證長期的正常使用。臨時性拱鉸是在施工過程中,為消除或減少主拱的部分附加應力,以及對主拱內力作適當調整時,在拱頂和拱腳設定的鉸。施工結束時,則把臨時性鉸封固,因而構造也簡單。
拱鉸形式
弧形鉸
對於鋼筋混凝土、石料做成的拱鉸,如圖2所示。一般由兩個不同半徑的弧形表面塊件合成。一個為凹面(曲率半徑為R2),一個為凸面(曲率半徑為R)。鉸的寬度等於拱圈的寬度,R與R的比值在1.2~1.5之間。沿拱軸線方向的長度為拱厚的1.15~1.20倍。設計時應驗算接觸面的承壓應力和橫向拉應力。弧形鉸圓筒形表面相互位移時,壓力線的作用點就發生偏離,在靠近的拱段中將產生附加彎矩。所以鉸的接觸面要求精確加工,以保證緊密結合。
鉛墊鉸
採用鋅、銅薄片(1~2cm)做包皮、鉛板做芯(1.5~2cm)的鉛墊板拱鉸,是利用鉛的塑性變形,容許支承截面自由轉動來實現鉸功能,如圖3所示。在墊板中心,設定一根錨桿,保證壓力正對中心且能承受一定剪力,又不妨礙鉸的轉動。
平鉸
平鉸是平面相接,構造簡單,適用於小跨度的拱圈,敞肩拱橋的腹拱圈採用鉸拱者可採用平鉸。鉸的接縫間可以墊襯油毛氈,如圖4所示。
不完全鉸
對於跨徑不大的拱圈或人行拱橋,可以採用不完全鉸(縮頸鉸),由於拱鉸處的拱截面急劇地減窄,使得支承截面處能夠轉動而起到鉸的作用,如圖5所示。截面減窄處將發生很大應力,頸縮部分可能會開裂,可以配筋加強。
拱橋的分類
按照由拱的作用所發生的水平推力直接傳布至基礎地基上或由系桿分擔,或者按照拱肋形式可分類如下(圖6):
其中按照結構體系分類參考圖7。按照拱肋形式的分類參考圖8。
各種拱橋形式的特點
三鉸拱橋
在日本只有櫻宮橋是三鉸拱橋。架橋地點的地基雖然不好,,但在認為必需採用拱系橋樑時,三鉸拱仍是不可缺少的結構。因為橋面繫結構順著橋長方向的彈性曲線,在頂部鉸處下沉而對高速公路和鐵路橋樑發生大的衝擊,這是其主要缺點,而且,頂部鉸從構造與維護方面來說也不理想。
兩鉸拱橋
這是無論在鐵路、公路及高速公路中廣泛採用的拱結構。實肋拱的最大跨度約200米,超過這樣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橋,其拱的淨跨雖然是330米,但用了箱形截面的實肋。此外根據Stassi教授的意見,採用St52鋼的桁肋拱的最大跨度約為570米。
單鉸拱橋
單鉸拱橋在理論上是可能的,三浦七郎(戰前,作為鋼橋3卷的著者負有名望)特別對這方面進行過研究,在宮崎亦曾經建造了一座單鉸拱橋,但是沒有見過其它的例子。這座橋因下游建水壩而淹沒,現在已看不見了。