【分享】从五个优秀设计实例中浓缩的现代拱桥设计创新方法

现代拱桥形式多样，工程师和建筑师们一直在寻找一种新的诠释古罗马拱结构的方法。



下面不同国家的5座拱桥的设计方案，都是针对各自的工程背景（桥址和用途）而选用的独特设计方案，其中包含了人行桥、公路桥和铁路桥，以展示对“拱”这种最古老的桥梁体系的不同诠释。其中4座是经过设计竞赛而中标的方案，这也充分说明了竞争对于寻找最优设计方案的积极作用。
对于跨越平坦地区河流的桥梁，系杆拱是常用的方案，譬如本文中将要介绍的富街桥。跨越像瑞士的深山峡谷，上承式拱结构仍然是很好的选择。变化拱肋矢高、拱上立柱和吊杆布置可以调整拱的内力流和几何形状。桥面系和拱肋间的刚度变化对于半跨受荷拱桥来说，是十分需要考虑的地方，因为此时桥面系，或拱肋，或交叉吊杆布置，或它们之间的一种组合，必须有足够的抗弯能力。由于各种原因，轴力应尽量由混凝土承担的原则，在很多拱桥设计中未能被遵循，但是钢-混凝土组合截面可以充分利用两者的优点。
已建拱桥的跨度已经超过了500m，理论上可以更大；但有时其施工的复杂性和高昂费用，使得更有竞争性的其它桥梁体系阻碍了它朝跨越500m方向发展。


美国俄亥俄州哥伦布市跨越赛欧托河的富街桥


在俄亥俄州哥伦布市，一座建于1914年的拱腹填土混凝土拱桥功能正在退化，取而代之的是一座现代化开敞式拱肋结构的富街桥。该桥是赛欧托河上的三座桥梁之一，位于该市具有历史意义的市政厅旁。该座新桥的外形是按照社区委员会代表的要求而设计的，即要求其与周围已建的几座拱桥形成风格协调的大家庭，同时要尊重市政厅的建筑特色。上世纪80年代后期，LAP设计事务所就被邀请去设计完成附近的百老汇街桥梁的更新换代工作。接下来，该团队也被邀请来设计完成南富街桥梁的替换工作。













该桥共有5跨，结构全长171m，支承于4排混凝土拱圈上。这些拱圈与桥梁的四排纵梁整体联结，因此整个结构的力学行为与刚架一样，桥面承担由端部半拱引起的不平衡拉力，如同系杆拱体系。拱脚由位于桩基础上的弹性支座支承。
拱圈和主梁均由预制混凝土节段拼装组成，部分采用高强轻骨料混凝土。预制节段通过临时支架支撑；而后采用湿接缝连接成整体。最后，通过连续后张预应力方法，将它与现浇混凝土桥面联接成整体。护栏、路灯及其它建筑装饰采用现代风格，与俄亥俄州中部的科学研究所和市政厅的其它近代建筑相呼应。


德国莱茵河畔威尔市的三国桥


2001年7月，莱茵河畔威尔市和三大市政社区进行了跨越莱茵河的桥梁设计招标，该桥计划供行人和自行车通行。柏林的Leonhardt, Andrä and Partner设计事务所和巴黎的Feichtinger设计事务所成为了中标者而被委托设计，结构需要具有超细长的美感。该桥的技术挑战是显而易见的，它反映出当今设计和施工的极限，自然成为当代的一个标志。
威尔市的豪普特步行街和于南盖市的法国路历史塔的映衬是这座桥梁必不可少的背景。为了保持这种景色，该桥被放置在视轴线上。此外，非对称截面形成了桥梁的强侧和弱侧：一片倾斜的拱肋形成桥梁的弱侧，两片平行竖直拱肋形成桥梁的强侧。
由于在水平方向上该体系为细长建筑物，必须限制其水平位移。因此限制了一侧拱脚的转动，但在纵桥向上，借用挂钩可以自由移动；在另一侧拱脚（靠法国一侧）的纵桥向和横桥向的位移均受到约束。拱脚处水平位移的约束和竖向的转动，是由万向杯形轴承和滚珠轴承提供的。










由于该结构是几何非线性（第三阶理论），因此荷载工况不能线性叠加，只能用组合荷载进行分析。为了保证拱肋在恒载和部分活载作用下的稳定性，必须进行相应的倾斜设计。半跨活载布置工况下拱肋挠度为1275mm。恒载加半跨活载布置工况下拱肋挠度为1679mm，二者差值400mm保证了桥梁的稳定性。桥梁截面的非对称性形成的倾斜是一种复杂的空间形态，不能直接由倾斜角度来确定。倾斜的计算与悬索桥类似（找形分析）。
随着这座桥的建设，该区域两岸的人民联系更加紧密了。这座桥被认为是当地建筑景观不可分割的一部分，获得了若干个国家级和国际级的奖项。从该桥的设计、计算分析和建造可以看出，细长拱结构已经取得了很大的进步。






荷兰奈梅亨市跨河桥


该项目的核心是一座横跨瓦尔河、净跨径285m的系杆拱桥，桥梁两端是高架引桥，全长1.2km。该桥连接奈梅亨市西部环城公路，是南部港区和新北郊瓦尔重建的基础项目。






设计思路源于瓦尔河的雄伟壮观，包括宽广的河漫滩及河岸。这座桥以“双重门”的形式成为该城市的重要标志：人们可以从拱桥下乘船进入这座城市，也可以从北方驱车或步行经由该桥进入这座城市。作为城市桥，它使人们愿意为它而居住在这片区域，或者愿意放慢脚步去开发利用这片区域。
系杆拱有强烈的表现形式，有比通航要求更大的跨越河流能力。拱肋是由中间的圆弧段和两端的三角形组成。
拱肋使用高强度钢材，吊杆相互交错。桥面板是新颖的正交组合截面，单箱三室，具有完全封闭的防腐保护功能。设计中考虑了拱脚周围卡车燃烧和吊杆烧断的特殊情况。


瑞士巴特拉加茨市塔米娜峡谷桥


瑞士圣加仑州的塔米娜峡谷面朝北方，位于巴特拉加茨市的边界上，这里的小溪流入莱茵河。在这个被冰川侵蚀形成的峡谷中，可以很容易地找到拉加茨温泉浴场。一个个小村庄坐落在峡谷之间，通过峡谷间蜿蜒的山路可以到达那里。但问题是西边的一条道路穿过不稳定斜坡地段。解决此问题的方案是修建一座桥梁，跨越峡谷将这些村庄连接起来，这样可关闭不安全的道路。






新桥必须满足某些特定的条件，需要通过设计招标来寻找最优方案。新桥方案有24个亮点，获得了压倒性的支持。除了常见的耐久性、鲁棒性、冗余性和成本高效性外，特殊的地理位置对结构的美学设计具有很高的要求。桥址两岸是岩石峡谷，为拱座提供了有利的基础，而垂直的岩壁和陡峭的斜坡使得桥墩难以建造。桥台之间的区域属于环境保护区，尤其是保护岩羚羊，因此新建桥梁必须做到对环境的影响达到最小。






采用的方案是矢跨比为1/7.5的细长混凝土拱。由于峡谷是非对称的，因此拱桥在左半跨为2个拱上立柱，右半跨为3个。该结构只有4个支承点，分别是2个桥台和2个拱座。通过与峡谷岩壁倾向角度几乎一致的拱上立柱，可以避免修建拱圈外围的额外桥墩。这些斜置拱上立柱与拱上建筑形成框架结构，使得63m和38m边跨的梁高变化不大。倾斜拱上立柱的设计保护了周围脆弱的植被，达到了对草场影响最小的要求，遵守大自然的秩序。除了桥台和其相应的伸缩缝，该桥梁是一个全整体结构。
一座美丽动人的桥梁将屹立在塔米娜峡谷。一旦建成，它就与阿尔卑斯山脉上由Maillard和ChristianMenn设计的著名桥梁并驾齐驱。该桥梁已于2013年3月开始施工建设。


杰纳布河铁路大桥


印度正在进行大规模的铁路建设，新铁路线位于查谟和克什米尔地区，从乌达姆普尔到巴拉穆拉，这个项目已经被列为国家项目。该项目将在喜马拉雅崎岖的多山地区建造大量的桥梁和隧道。为跨越杰纳布河幽深的峡谷，需要修建一座大跨度桥梁。
杰纳布河铁路大桥为全长1315m的铁路钢拱桥，包含了785m长的主拱桥和530m长的引桥。桥面下主拱跨度为467m。上部钢结构宽13.5m，桥面设有双钢轨线路，距离水面320m。






该桥梁的设计具有几个特殊要求，如需要考虑飓风、结构冗余度和爆炸等特殊荷载。桥梁结构设计细节让人非常感兴趣，如钢桥面板的疲劳设计，又如钢拱肋的组合作用。拱肋由4个矩形钢质复合截面组成。垂直和水平方向位移限值经过了仔细的评估。风荷载及风致振动是经过全面详细的风洞试验和半解析数值分析调查分析后得到的。该桥具有一个地震和大风作用的自动报警系统。
设计时面临的一个主要问题就是拱肋在安装以及投入运营后的横向稳定性。钢拱肋和上部结构的安装方法是在与承包方艾福肯基础设施公司的密切配合下制定的。一旦建成，此桥将成为全球跨径最大、高度最高的铁路桥。
桥面系、吊杆、拱上立柱或拱肋布置形式的多样性，使得拱结构具有广泛的应用，以满足特定的桥址条件和使用目的。从上面的几座桥可以看出，通过仔细研究桥址的周围环境条件和设计要求，可以得到令人满意的设计方案。