拱式橋的發(fā)展拱橋，在橋梁的發(fā)展史上曾經(jīng)占有重要地位，迄今為止，已有三千多年的歷史[1]，并因其形態(tài)美、造價(jià)低、承載潛力大而得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)于拱橋的起源，眾說(shuō)紛紜，莫衷一是。事實(shí)上，在古代，由于TRANBBS交通不便，人們的活動(dòng)范圍有限，交流不多，同一種結(jié)構(gòu)有多種起源、同時(shí)在多處獨(dú)立發(fā)展也是完全有可能的。拱橋，和其它的橋梁結(jié)構(gòu)一樣，其發(fā)展水平和生產(chǎn)力的發(fā)展水平息息相關(guān)，始終受力學(xué)、材料科學(xué)和TRANBBS施工TRANBBS技術(shù)的制約。在拱橋發(fā)展的早期，生產(chǎn)力發(fā)展水平十分低下，其發(fā)展十分緩慢。這一時(shí)期的拱橋主要有以下特征：
（1）拱橋的TRANBBS設(shè)計(jì)、建造以經(jīng)驗(yàn)為主；
（2）所用的材料多為石材；
（3）結(jié)構(gòu)形式以圓弧、實(shí)腹式拱橋?yàn)橹鳌?BR>國(guó)外的石拱橋鼎盛于古羅馬時(shí)代。現(xiàn)存較為著名的兩座石拱橋?yàn)镻out-du-Gard橋和Alcantara橋。前者建于公元14年，由三層半圓拱組成，其中底層6拱、中層11拱、頂層33拱，總長(zhǎng)達(dá)270m；后者建于公元98年，共有16個(gè)半圓拱，跨徑從13.5m到28.2m不等。拱橋在中國(guó)也有著悠久的歷史。早在公元前282年就有了關(guān)于石拱橋的文字記載，考古發(fā)現(xiàn)公元前250年周末的墓穴中就有了磚拱。修建于公元606年的河北趙縣安濟(jì)橋代表著中國(guó)古代石拱橋建造的最高成就。安濟(jì)橋跨徑37.4m，矢高7.23m，寬約9m，在跨度方面曾保持記錄達(dá)1350年之久（1956年建成松樹坡鐵路橋，跨度38m），且至今保存完好。文藝復(fù)興時(shí)期以后，特別是18世紀(jì)的工業(yè)革命以來(lái)，科學(xué)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，橋梁建設(shè)也逐步開始走上了科學(xué)的道路。這一時(shí)期的拱橋具有如下的特點(diǎn)：
（1）數(shù)學(xué)和力學(xué)逐漸在設(shè)計(jì)中起主導(dǎo)作用，設(shè)計(jì)理論臻于完善；
（2）結(jié)構(gòu)形式多樣化，擺脫了上承式實(shí)腹拱的單一模式，使拱橋的表現(xiàn)力更加豐富；
（3）所用的建筑材料也不再局限于石材。
這一時(shí)期的拱橋在各個(gè)方面都得到了空前的發(fā)展。具有代表性的大跨度鋼拱橋有3座：悉尼港大橋（503m，澳大利亞，1932年）、Bayanne橋（503.6m，美國(guó)，1931年）和NewRiverGorge橋（518.3m，美國(guó)，1976年）。
世界上第一座鋼筋混凝土拱橋建于1898年。目前，在跨度方面，萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋（420m，中國(guó)，1986年）為同類之最。
由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，國(guó)內(nèi)鋼拱橋修建較少，但在鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋方面取得了不少成就。主要的結(jié)構(gòu)形式有雙曲拱橋、桁架拱橋以及一些組合體系的拱橋。隨著計(jì)算力學(xué)的發(fā)展和對(duì)材料性能認(rèn)識(shí)的不斷深入，其它形式的橋梁也在不斷地發(fā)展。在中小跨度方面，人們有了更多的選擇；在大跨度方面，拱橋的競(jìng)爭(zhēng)性明顯弱于斜拉橋和懸索橋。
從1931年的Bayanne橋到1976年的NewRiverGorge橋，在45年的時(shí)間里，其跨度僅僅增加了3%。在此后的20余年里，鋼拱橋在跨度方面再無(wú)突破。盡管鋼拱橋的跨度在這一時(shí)期曾一度超過(guò)500m，但它們并不代表拱橋的發(fā)展方向。拱橋的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)的根源在于材料。盡管材料科學(xué)在以日新月異的速度發(fā)展，但是長(zhǎng)期以來(lái)可用作建筑材料的仍是“三大材”。圬工拱橋不便于實(shí)現(xiàn)工廠化施工，施工周期較長(zhǎng)，相應(yīng)的費(fèi)用較高。同時(shí)，圬工材料盡管適合承壓，但其自重相對(duì)于許用應(yīng)力而言較大，因而不適于用作大跨度橋梁。高強(qiáng)鋼材盡管抗壓和抗拉強(qiáng)度都較高，但拱結(jié)構(gòu)以受壓為主，而高強(qiáng)鋼材和普通鋼材的彈性模量幾乎相同，所以在提高構(gòu)件穩(wěn)定承載力方面，高強(qiáng)鋼材并無(wú)多大的優(yōu)越性。在同樣的條件下，鋼拱橋的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)往往遜于斜拉橋和懸索橋。由于受施工和材料方面的雙重限制，古老的拱橋面臨著生存的危機(jī)。
　鋼管混凝土鋼管混凝土是在鋼管內(nèi)填充混凝土，使鋼管和混凝土在受壓方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)：鋼管借助于其內(nèi)部的混凝土穩(wěn)定性得以增強(qiáng)；而內(nèi)部的混凝土由于處于三向受壓狀態(tài)而使自身的強(qiáng)度得以提高。鋼管混凝土更接近于一種新材料，具有強(qiáng)度高、塑性好、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。它不僅在力學(xué)方面性能優(yōu)越，而且在施工方面也有許多優(yōu)點(diǎn)。鋼管混凝土的復(fù)合材料特性比較接近于鋼材，而塑性和韌性還勝過(guò)鋼結(jié)構(gòu)。它特別適合用作軸心受壓構(gòu)件及小偏心受壓構(gòu)件。偏心較大時(shí)，可用二肢、三肢、四肢組成的組合式構(gòu)件。鋼管混凝土在施工方面有顯著和優(yōu)點(diǎn)：
（1）鋼管本身可以兼作模板，不用拆模、支模，混凝土可以泵灌；
（2）鋼管本身可以兼作縱筋和箍筋，卷制鋼管較制作、綁扎鋼筋骨架容易；
（3）鋼管本身可以兼作骨架。由于鋼管混凝土本身的優(yōu)點(diǎn)決定了它的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：在自重和承載能力相近的情況下，同鋼結(jié)構(gòu)相比，可以節(jié)約鋼材50%左右。在用鋼量相近、承載能力相同的情況下，構(gòu)件的橫截面積可以減小一半，自重減小近50%[3]。鋼管混凝土在土木工程中已有近百年的應(yīng)用歷史，幾乎與螺旋箍筋同時(shí)出現(xiàn)[2]。
1879年英國(guó)賽文（Severn）鐵路橋采用了鋼管混凝土橋墩，但其在鋼管內(nèi)灌混凝土當(dāng)時(shí)僅僅是為了防銹。1901年Sewell.J.S第一個(gè)發(fā)表文章報(bào)導(dǎo)了方形鋼管混凝土柱的應(yīng)用情況。1907年美國(guó)的Lally公司首次給出了圓形鋼管混凝土柱的安全承載力公式。在設(shè)計(jì)規(guī)范方面，美國(guó)的“ACI318-65”中列入了軸心受壓鋼管混凝土柱的計(jì)算公式。“ACI318-71”則把鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為組合構(gòu)件而單獨(dú)分列，包括軸心受壓和受彎的計(jì)算。日本建筑學(xué)會(huì)在1967年的年會(huì)上制定了“鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范”，并在1980年作了修訂。此外，原歐洲經(jīng)濟(jì)共同體的“EUROCODE”、英國(guó)的“BS5400”和德國(guó)的“DIN18806”也都列入了鋼—混凝土柱的設(shè)計(jì)內(nèi)容。
在我國(guó)，鋼管混凝土的研究始于1959年。1963年將其成功應(yīng)用于北京地鐵工程。隨后，鋼管混凝土的研究和應(yīng)用都得到了空前的發(fā)展。在理論研究方面，70年代末80年代初，用壓潰理論確定軸心受壓構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力；80年代，得到了混凝土和鋼管在軸心受壓時(shí)的多軸應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系，采用有限元法求解各種荷載條件下的構(gòu)件性能曲線。90年代，采用內(nèi)時(shí)理論來(lái)描述混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系，更全面地解決了運(yùn)用有限元求解鋼管混凝土在各種荷載條件下的工作性能曲線，提出了鋼管混凝土的統(tǒng)一設(shè)計(jì)理論。這些理論集中體現(xiàn)在一批具有代表性的專著中，例如：鐘善桐的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)》、蔡少懷的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)》和蔣家?jiàn)^、湯關(guān)祚的《三向應(yīng)力混凝土》。與此同時(shí)，依據(jù)這些理論，各行業(yè)制定了一些相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程：國(guó)家建筑材料工業(yè)局頒發(fā)了《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JCJ01—89）；中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒發(fā)了《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS—90）；能源部電力TRANBBS規(guī)劃局頒發(fā)了《火力發(fā)電廠主廠房鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（DLGJ99—91）；遼寧省電力設(shè)計(jì)院1992年制定的《送電線路空鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（LDGJ—S11—92）。這些專著和設(shè)計(jì)規(guī)范的出現(xiàn)不但奠定了我國(guó)在這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位。而且對(duì)我國(guó)的組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展、對(duì)于鋼管混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用起了極大的推動(dòng)作用。
鋼管混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用鋼管混凝土的上述優(yōu)點(diǎn)，一直受到橋梁工程專家的重視，并不遺余力地在工程實(shí)踐中加以推廣和應(yīng)用。早在30年代末期，前蘇聯(lián)著名橋梁專家Perederiy教授用鋼管混凝土建造了跨越列寧格勒涅瓦河的拱梁組合體系，跨度達(dá)101m。與此同時(shí)，Rosnovskiy教授在西伯利亞也用鋼管混凝土建造了一座跨度達(dá)140m的鐵路拱橋[5]。70年代，著名的美籍華裔結(jié)構(gòu)工程專家林同炎教授在一個(gè)工程設(shè)計(jì)方案中采用跨度為175.5m的鋼管混凝土拱架跨越6條公路，上建造停車場(chǎng)和旅館[4]。英國(guó)1966年建成的Almondsbury立交橋，采用了35根鋼管混凝土柱作為橋墩和支柱［５］。1988年，法國(guó)在Maùpre的一座高架橋中，用鋼管混凝土作為預(yù)應(yīng)力組合梁的下弦桿，取得了良好技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益[10]。
在我國(guó)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用始于90年代初，自從1990年四川旺蒼東河大橋（跨度115m）建成后，相繼又有廣東高明橋（跨度110m）、浙江新安江橋（跨度160m）、廣東南海縣三山西橋（跨度200m）和江西昌河大橋（跨度150m）相繼建成。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在短短十余年的時(shí)間里，我國(guó)已建成鋼管混凝土拱橋近百座。鋼管混凝土拱橋在我國(guó)的興起并不是偶然的。
第一，近些年來(lái)，我國(guó)大力加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為橋梁提供了發(fā)展的空間。拱橋作為橋梁的基本橋型之一，過(guò)去在我國(guó)曾得到過(guò)廣泛應(yīng)用；
第二，我國(guó)對(duì)鋼管混凝土基礎(chǔ)理論的研究處于世界的先列，鋼管混凝土在其它領(lǐng)域的發(fā)展為拱橋的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)；
第三，在我國(guó)，盡管國(guó)民經(jīng)濟(jì)有了很大的發(fā)展，但目前大量使用鋼結(jié)構(gòu)還不適合國(guó)情；
第四，橋梁美學(xué)日益受到重視。拱橋在我國(guó)有很深的文化基礎(chǔ)，鋼管混凝土的應(yīng)用，使拱橋的表現(xiàn)力更加豐富；
第五，也是更重要的一點(diǎn)，那就是鋼管混凝土在拱橋中的應(yīng)用，解決了長(zhǎng)期在施工和材料方面困擾著拱橋的兩大難題。鋼管混凝土在橋梁中的應(yīng)用正在不斷地向各個(gè)方向深入，在拱橋的實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)生了兩大方向：一種為內(nèi)包混凝土，即鋼管表皮外露，與核心混凝土共同作為結(jié)構(gòu)的主要受力部分，同時(shí)也作為施工時(shí)的勁性骨架。
這類拱橋目前主要有單管、集束管、啞鈴形肋拱和桁架拱。這類拱一般含鋼率較高，跨徑從幾十米到二百米。另一種是內(nèi)外包混凝土，鋼管表皮不外露，鋼管主要作為施工時(shí)的勁性骨架，先內(nèi)灌混凝土形成鋼管混凝土后再掛模板外包混凝土形成斷面，鋼管可以參與建成后的受力，但不是以使用荷載為控制，而是以施工荷載為控制。這類橋有板拱、箱拱、工字形拱肋、箱肋拱和剛架拱。除板拱外，其它拱的跨越能力較強(qiáng)，一般都在百米以上。其中萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋跨度達(dá)420m。這類橋由于在受力方面更接近鋼筋混凝土，所以目前人們更傾向于將其歸類于鋼筋混凝土橋。
　大跨徑拱橋的發(fā)展方向鋼管混凝土拱橋的出現(xiàn)，使古老的拱橋又一次煥發(fā)了青春。主跨312m的廣西邕江肋拱橋和主跨420m的四川萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋的箱拱，更是已經(jīng)進(jìn)入了世界級(jí)的先進(jìn)水平。原哈爾濱建筑工程學(xué)院鐘善桐教授曾撰文指出系桿拱橋的跨度可達(dá)600m左右；同濟(jì)大學(xué)的周念先教授則在他的《橋梁方案比選》（同濟(jì)大學(xué)出版社，1997）中提出：在500~1000m的超大跨的范圍內(nèi)，可供比選的方案有懸索橋、斜拉橋和系桿拱橋。他認(rèn)為如果系桿拱橋一時(shí)不具備做到1000m的條件，可以先以650m為第一目標(biāo)。隨著跨度的增大，拱橋的寬跨比迅速減小，其橫向穩(wěn)定性問(wèn)題也就顯得越來(lái)越突出。在大型拱橋當(dāng)中，橫向的穩(wěn)定性幾乎絕對(duì)控制著橋梁及其施工的安全。以主跨居當(dāng)今世界拱橋之首的萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋?yàn)槔齕12]，其勁性骨架除自重作用的工況外，其余所有的施工工況，全部為橫向穩(wěn)定控制。計(jì)算還顯示，活載在其強(qiáng)度設(shè)計(jì)中僅占5%左右，即恒載絕對(duì)控制設(shè)計(jì)。和其它類型的拱橋相比，提籃拱橋在橫向穩(wěn)定性方面有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。提籃拱橋是將通常的中（下）承式拱橋的拱肋向橋軸線方向傾斜（甚至在拱頂合攏）而形成的一種空間拱式結(jié)構(gòu)。它通過(guò)改變拱結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算圖式來(lái)獲得較大的橫向穩(wěn)定性。提籃拱具有以下特色：
（1）具有比常見(jiàn)的上承式拱大得多的面外穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[7]顯示：下承式拱的橫向穩(wěn)定承載力通常是上承式拱的9~60倍。計(jì)入非保向力的影響，結(jié)論基本相同。而提籃拱的臨界荷載又比相同情況下的平行肋拱的臨界荷載高20%~200%。此外，提籃拱保留有一般平行肋拱的特點(diǎn)，既可以做成對(duì)下部無(wú)推力的中、下承式系桿拱，適用于軟土地基；也可以做成有推力的中承式拱，應(yīng)用于山巖地區(qū)。
（2）放松了對(duì)拱橋的寬跨比的要求。現(xiàn)有的橋梁規(guī)范是通過(guò)寬跨比來(lái)保證拱橋的橫向穩(wěn)定性的。首先，這一規(guī)定并不能完全保證拱橋的橫向穩(wěn)定性；其次，對(duì)于大跨度拱橋，這種硬性的規(guī)定有時(shí)達(dá)到了不合理、甚至是做不出來(lái)的程度。（3）具有良好的施工穩(wěn)定性及抗震性能。在采用勁性骨架米蘭法施工時(shí)，骨架的橫向穩(wěn)定性也是主要的控制因素之一，在這方面，提籃拱的性能要優(yōu)于平行肋拱。同時(shí)，理論分析和實(shí)際震害調(diào)查都表明，由于提籃拱的靜力計(jì)算圖式的改進(jìn)，其抗震性能也得到了很大的提高。因此，我們有理由相信，在未來(lái)的大跨度拱橋的實(shí)踐中，提籃拱橋是較有前途的一種橋型。