实腹拱桥

土木工程名词

在拱桥拱圈上腹部两侧填实土壤或粒料后铺装路面，这种拱桥称为实腹拱桥。小跨径的砖，石，混凝土拱常采用这种构造形式。实腹式圬工拱桥的承载潜能大、路桥连接顺畅、养护维修费用低、抗损坏性能好以及施工方便等优点，相比其它桥型优点明显。

背景

随着科学技术水平的发展，各种新技术新材料开始在桥梁建设中广泛应用，随着交通发展变化，桥梁也开始逐渐往轻型化、大跨径化的方向发展，同时造型不一、特点不一的新型桥型也不断涌现出来，例如桁架桥、斜拉桥、悬索桥等，这样使得圬工拱桥的发展受到了限制。但是石拱桥并没有被完全淘汰，由于经济发展相对滞后及历史原因，在我国特别是西南地区仍有大量中小跨径的实腹式拱桥在服役。

简介

由于石拱桥具有取材方便、造型优美、耐久性强等特点，使其在整个桥梁结构中具有重要地位。当桥梁结构受到外部荷载作用时，主拱圈的拱脚不仅在竖向产生支撑反力，同时水平方向也产生水平推力。由于拱桥拱圈既有竖向反力又有水平推力，这样可减小主拱圈各个截面的弯矩，而且还使主拱圈各个截面基本上以受压为主，从而降低了主拱圈产生的拉应力，这样使得抗拉性能较差，但抗压性能较强的材料可以被充分利用。因此圬工拱桥具有跨越能力较大、承载能力较高、取材方便、造价低廉、养护维修成本低、造型优美等特点。同时，实腹式圬工拱桥的承载潜能大、路桥连接顺畅、养护维修费用低、抗损坏性能好以及施工方便等优点，相比其它桥型优点明显。在石拱桥建设发展的过程中，国内外均取得了辉煌的成绩。

特点

实腹式拱桥大多为中小跨径桥梁，但自身具备非常鲜明的特点。首先为结构上的特点，桥面系与拱上填料直接接触，在外部荷载作用下，两者共同传递荷载；拱上侧墙及填料又与拱圈直接接触，因此结构受力特点为拱上侧墙及填料与拱圈的联合作用。其次为材料特点，圬工砌体、填料、桥面材料构成了圬工拱桥的主要三种材料，这些材料均为非线性材料，影响因素较多，很难实现比较精确的模拟。

材料特点

圬工拱桥主要用到的材料是砌体材料、填料、桥面铺装材料，均为非线性材料，其力学性能相对比较复杂且受外部环境影响较大，旨在研究拱上填料对主拱圈的受力影响，故对砌体、填料的材料性质重点介绍，至于桥面铺装材料，大多采用混凝土铺装层，此类材料资料很多，故此处不再做介绍。

砖体或者块体采用砂浆将其连接而成的整体结构就是砌体。一般实腹式圬工拱桥采用的都是石材砌体结构，砌体又可以分为料石砌体、毛石砌体，上部结构拱圈、拱上侧墙材料大都采用毛石砌体或者料石砌体，桥台、桥墩、基础等下部结构大都采用毛石砌体。石材和砂浆是实腹式圬工拱桥结构用到的主要材料，相关的文献资料对石材以及砂浆的分类并未完全统一，砖体或者块体采用砂浆将其连接而成的整体结构就是砌体。一般实腹式圬工拱桥采用的都是石材砌体结构，砌体又可以分为料石砌体、毛石砌体，上部结构拱圈、拱上侧墙材料大都采用毛石砌体或者料石砌体，桥台、桥墩、基础等下部结构大都采用毛石砌体。石材和砂浆是实腹式圬工拱桥结构用到的主要材料，相关的文献资料对石材以及砂浆的分类并未完全统一。

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力。理论上，土可以由于拉力过大而开裂，也可以由于剪力过大而破坏，然而诸多工程实践和近年来国内外科学试验研究都表明：多数情况下，土的破坏主要是由于土在外力作用下，土中某点的剪应力达到其抗剪强度，使得土在沿着剪应力的方向上产生滑动现象，从而产生相对滑动，该点就会由于剪应力过大而产生破坏。因此，在对土的强度问题进行研究时，主要考虑土的抗剪强度。

土体发生剪切破坏的主要表现为：剪应力作用下，土体内部产生滑动面，土体产生相对滑动，进而土破坏。所以能使土体内部产生滑动面的剪应力就是土的抗剪强度。为了明确的阐释土的抗剪强度，科学家们做了许多研究。

结构特点

图为实腹式圬工拱桥的结构示意图，可以看出上部结构组成部分主要为拱上建筑部分、主拱圈，下部结构为桥台、基础部分，拱上侧墙与主拱圈剩余部分则用填土进行填充，桥台内部也为填土。通常以主拱圈的受力情况来评判整桥的承载能力，拱上建筑部分则是作为固定荷载作用于拱圈上，拱上填料紧密包围着拱圈，与拱圈直接接触，是恒载的主要来源，同时拱上建筑与拱圈会产生接触的相互作用，因此仅考虑裸拱圈的受力是不合理的，应合理的考虑拱上填料与拱圈的共同作用。实腹式圬工拱桥的结构特点与受力特点，与岩土工程相关的受力特点有点类似，拱形结构与隧道等地下空间结构相似，填料部分则与地下空间的岩体或者土体相类似，因此根据这些结构特点，进一步说明仅考虑裸拱圈的受力的计算方法比较片面，可结合地下空间的岩体或土体与结构的相互作用的模式来考虑联合作用。

拱桥联合作用

拱桥联合作用在拱桥总体布置、细部尺寸、施工方案等确定后，需进行成桥状态强度、刚度、稳定验算和必要的动力分析，以及施工阶段结构分析与验算。不论是空腹式拱桥还是实腹式拱桥，通常都是多次超静定的空间结构，拱上建筑会不同程度地参与主拱圈受力，通常把这种现象称之为联合作用。由于桥面和填料的扩散作用，当荷载作用于桥面时，无论是不是在桥梁的中心线位置，在作用位置处的横断面上，均会产生不同程度的应力，这就是荷载的横向分布。实际工程和相关理论研究均发现，拱上建筑的构造型式、材料的性质对联合作用的影响较大，梁式拱桥的拱上建筑对联合作用效应的影响较小，一般都忽略不计，而拱式拱上建筑对桥梁的受力影响较大，影响因素较多，比如材料的刚度的影响，材料刚度越大，其联合作用效果越明显；对于空腹式拱桥，腹拱的矢跨比越小，其水平方向的推力越大，这样联合作用也越明显。对于同一桥梁来说，不同截面的联合作用程度也是不一样的，一般采用最不利荷载位置的联合作用情况反映桥梁整体的联合作用情况。

联合作用与施工顺序有关。例如，有支架施工中，若在主拱合龙后即落架，然后再施工拱上建筑，由于支架的撤离，拱上建筑部分的自重以及材料的收缩徐变所产生的力均由拱圈承受，此时联合作用较小，可忽略不计，只有之后恒载（如腹孔拱上恒载）、活载以及温度变化等影响时才存在联合作用；若拱架是在拱上建筑完成后才拆除，则在所有影响力作用下都存在联合作用。

因此，在拱圈计算时，应根据拱上建筑联合作用的大小和施工顺序，选择不同的计算图式进行受力分析。对梁式拱上建筑可选择不计联合作用的裸拱圈作为计算图式；而对于其他型式的拱上建筑，应选择拱圈与拱上结构联合受力的图式。多孔连续拱桥计算时还应计入连拱作用的影响。由于主拱圈在不计拱上建筑联合作用的时候是偏安全的，所以，多数情况下都以裸拱为计算对象。但拱上建筑的计算则不同，不考虑联合作用（即不考虑主拱变形对其产生影响）是不合理的、不安全的，必须以共同受力的图式进行拱上结构分析。

与联合作用类似，活载的横向分布同样受许多条件影响，桥梁横向构造布局为其主要的影响因素。例如，对石拱桥、混凝土板拱桥、箱型拱桥，一般可忽略活荷载分布的影响，认为活载由主拱圈全宽均匀承担。但事实上，拱圈不同截面的荷载横向分布也不相同，在拱顶位置考虑荷载的横向分布，是有利于桥梁的承载力，但在拱脚截面、1/4 截面处考虑荷载的横向分布，是偏不利于桥梁的安全。对由多个构件组成的肋拱、桁架拱、钢架拱等，必须考虑活载的横向分布影响，一般简化为平面结构进行计算，也可进行空间分析。对桥梁恒载横向分布不均匀时，也需考虑其分布的影响。

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