アーチ橋

アーチ橋（アーチきょう、）は、構造形式による橋の分類の一つであり、主構造にアーチを用いた橋梁のことである。
本項では、アーチ橋の一種に位置付けられるローゼ橋（ローゼきょう）、ランガー橋（ランガーきょう）についても記述する。
概要.
原理と特徴.
アーチ橋は、橋梁鉛直に働く荷重をアーチ部材への圧縮力に変換させて支持する構造である。
右図上段に示すように、外部と自重により作用する下向きの荷重が、アーチ部材の内部において圧縮力に変換され、両端の支点へ伝達される。一般的な桁橋（右図下段）では「曲げ」によるたわみが発生し、主桁内部では上側に圧縮応力と下側に引張応力が発生するのに対し、アーチ橋ではほぼ断面内に一様な圧縮応力だけを発生する。
したがって、アーチ橋はその構造特性から、桁橋と比較して以下のような特徴を持つ。
アーチに用いられる曲線.
アーチ橋は優美な曲線を描き、景観的にも優れた構造である。
アーチの弧の曲線は歴史とともに変化してきた。→アーチ#歴史
また、アーチの高さ（支点から頂点までの高さ）をアーチライズと呼び、アーチ橋の特性や外観に与える印象に影響を与える。アーチ支間に対してアーチライズの高いアーチ橋は、外観にオーソドックスな印象を与える。一方、アーチライズの低い形式は、近代的でシャープな印象を与え、構造的にも桁橋の挙動に近いものとなる。
近年では、中小規模のアーチには、設計・施工の簡易さから円弧または楕円弧が用いられることが多い。一方、長大アーチ橋では、その特性を活かせる双曲線が選定される。
種類、分類.
支持条件による分類.
アーチ橋は、その支持条件によりいくつかに分類される。ヒンジアーチはソリッド構造に単純化した組積造的な分割を与え有害な残存応力を抑えながら、軟弱な基礎を支点にしようとしたもの。
眼鏡橋.
アーチの個数は任意であるが、アーチが二つあるアーチ橋は特に眼鏡のように見えるので眼鏡橋と呼ばれている。ひとつのアーチでも上が盛り上がっている橋も単眼鏡に似ているのでそう呼ばれることがある。
太鼓橋.
太鼓の胴のように上に張り出しているアーチ橋を太鼓橋と呼ぶ。石造りが多い。金属製、木製もある。中国庭園、日本庭園でもよく使われる。
歴史.
ヨーロッパ・中国・日本の歴史.
古代ギリシャで発明されたとされる説や、紀元前30世紀頃にメソポタミアで尖った形のアーチが作られ、それが円形に進化したとされる説がある。なお、メソポタミアのものは煉瓦を材料としていた。いずれにせよ、アーチが安定した構造であることは古くから知られていたようである。紀元前1世紀頃にはその技術が古代ローマに伝わり石のアーチ橋が多数架けられるようになり、一部は現在も残っている。長い橋を作るためアーチを連ねる場合もあり、これも古代ローマの水道橋などが残っている。
半円形の場合、長さの半分の高さが必要であるが、15・16世紀頃のイタリアルネッサンス期には、楕円や懸垂線の扁平な形のものも作られるようになった。中には、橋の上に家や店舗などの建物が載ったものもある。
18世紀、産業革命により鉄が使えるようになった。最初の鉄のアーチ橋はイギリスで1779年完成した、その名もアイアンブリッジであり最初の鉄橋といえる。現役で使用されており世界遺産に登録されている。現代の橋は鋼鉄であるが、この橋は鋳鉄が使われている。
一方、中国にも紀元前にアーチ橋が伝わっていたと記録されている。現存しているもので古いものでは隋の時代（600年頃）の安済橋がある。連続アーチの大きな橋としては盧溝橋（ろこうきょう）が著名であり1192年の建造である。拱手の礼をするときの両腕の形がアーチ状であることからアーチ橋を「拱橋」と表記する。
日本には、石のアーチ橋の技術は中国から沖縄（当時は琉球王国）にもたらされたものが最初とされる。また長崎にも伝えられ、1643年に眼鏡橋が架けられた。これを期に九州各地に石造りのアーチ橋が架けられている。熊本の通潤橋は灌漑用の水路橋として知られている。日本の石造アーチ橋に関しては眼鏡橋も参照
木造のアーチ橋と知られている錦帯橋も、1673年に中国の同名の橋をモデルに独自技術で架設された。
日本ではアーチ橋は古来、反橋・太鼓橋などと呼ばれてきた。ただし、これらの中には形はアーチだが途中に橋脚を持つものもあり。この場合はアーチではなく桁橋の変形と言える。
現代のアーチ橋の構造.
構造材料.
現代のアーチ橋においては、その構造材料としておもに鋼とコンクリートが用いられる。
鋼は、じん性（ねばり強さ）に富み、特に引張応力に強いが、圧縮応力にも同じぐらい耐えられるため、アーチ橋にも多用され、支間を飛躍的に伸ばしてきた。鋼アーチ橋の最大支間は500mを超え、吊橋や斜張橋に次ぐ長支間を誇っている。鋼アーチのうち鋼板を組み合わせた箱形断面であるものをソリッドリブアーチ("Solid-rib arch")、三角形を組み合わせたトラス構造のアーチをブレースドリブアーチ("Braced-rib arch")と呼ぶ。
コンクリートも現代の構造材料として代表的である。コンクリートの特性は、圧縮力に強いが引張力には弱い。したがって、アーチ橋の圧縮応力だけで支える構造に最適である。桁橋のような「曲げ」（曲げモーメント）が卓越する構造では、過大な引張応力の発生が避けられず、長大化を図れなかった。この問題に対処するため、あらかじめ圧縮力を強制的に与えておくプレストレスト・コンクリート(PC)を長大桁橋に用いる。しかしアーチ橋は圧縮応力で支えるため、PCを用いずとも長大化を図れる。コンクリートアーチ橋は単なる鉄筋コンクリート構造でありながら、その最大支間は200mを超えている。
通行位置による分類.
鋼とコンクリートという近代材料を得て、現代のアーチ橋は構造の自由度も広がった。
アーチ橋はその形状により長支間の架橋が可能となる構造ではあるが、弓なりとなった形状に人や車を渡すのは困難であり、アーチ部材とは別に平坦な路面が必要である。近代までのアーチ橋では石材を主材料としていたことから、右図上段に示す「充腹式上路アーチ橋」が主流であった。上路とはアーチの上に別途路面を設けることを意味し、充腹とはアーチと路面の間に材料が隙間なく敷き詰められていることを示す。
ところが、鋼やコンクリートを用いれば充腹構造としなくても、アーチの上に柱を立て路面（床版・補剛桁）を設けることが可能となった。この構造は「開腹式上路アーチ橋またはオープンスパンドレルアーチ橋」（右図中段）と呼ばれる。アーチ橋に荷重が作用すると、その特性からアーチ部材が外側に開こうする力が生じるため、長大な上路アーチ橋ではその力に耐えるだけの強固な岩盤が必要となる（図中の矢印）。充腹式では橋体そのものの重量が大きいためこの力も大きく、支間の長大化には限界があったが、開腹式では橋体が軽量になるため長大なアーチ橋が架橋できるようになった。
さらに、鋼橋を中心として「下路アーチ橋」も現代のアーチ橋では多く使われている。この構造はアーチを路面より上に架け渡し、アーチ部材より路面（床組・補剛桁）を吊る構造である。下路アーチでは路面を受ける構造によりアーチの両端を結び、前述のタイドアーチ形式とすることができる。したがって、支点部に大きな力は作用しないため強固な基礎は必要とせず、地盤の軟弱な都市部などでの長大アーチ橋架構が可能になっている。
このように、現代のアーチ橋は「開腹式上路アーチ橋」および「下路アーチ橋」が主流となっている。また、その中間の構造である「中路アーチ橋」も用いられる。その一方で、支承や伸縮装置・排水装置などのメンテナンス上不利となる部材を持たない「充腹式上路アーチ橋」も一部で見直されており、高速道路の高架橋で用いられている例もある。
補剛桁を有するアーチ.
アーチ橋ではアーチ部材のほか、路面を確保するための部材を設けるが、この部材に剛性を持たせ、アーチ部材と力を分担し合って橋梁を構成する形式がある。これを補剛アーチ橋と呼び、剛性を持たせた部材を補剛桁と呼ぶ。補剛アーチ橋は、その分担方式により二つに分けられる。
力学的な分類は以上のとおりであるが、外見上の各形式の違いは以下のようになる。
また、ローゼ橋、ランガー橋は下路アーチばかりでなく開腹式上路アーチにも用いられ、それぞれ逆ローゼ橋・逆ランガー橋と呼ばれる。コンクリート製の逆ローゼ橋、逆ランガー橋には、補剛桁をPC構造としたものが多い。
その他の構造.
補剛桁を有するアーチ橋には、上記の他にも様々なバリエーションが存在する。
下路ローゼ橋は一般に2本のアーチ部材を有するが、これを1本のみとした構造があり、単弦ローゼ橋（たんげんローゼきょう）と称する。単弦ローゼ橋は、1本のアーチ部材をどこに配置するかによりデザインの自由度が高い形式であり、路面中央にアーチ部材を配置した対称形のほか、路面の片側に配置した非対称形の形式も見られる。
また、前述のニールセンローゼ橋において、アーチクラウン部（アーチの最高点）で2本のアーチ部材の間隔を絞り込んだ形式を、その形状をバスケットの取っ手に例えてバスケットハンドル型ニールセンローゼ橋と呼ぶ。この形式は景観に優れ、斜張橋と並んで1980年代よりその架橋例が増えている。
一方、ランガー形式においては、吊り材をトラス形式としたトラスド・ランガー橋("Trussed Langer Bridge")が、そのバリエーションとして存在する。前述のとおり、ランガー橋のアーチ部材は圧縮力のみを分担するため、軸力（圧縮力・引張力）を受ける部材で構成されるトラス橋の特性をうまく取り入れた形式と言える。
その他、連続形式のアーチ橋としてバランスドアーチ橋("Balanced Arch Bridge")がある。これは、右図に示すように、中間の2支点を中心にバランスをとっている構造であり、上路アーチ橋でも自定式とすることができる。
建設方法.
完成した状態におけるアーチ橋は安定した構造であるが、その形状を構築する段階においては不安定であることが多く、巨大なアーチ部材を建設するために様々な工法が用いられる。