Pont en arc

Un pont en arc est un pont, à savoir une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, ravin, canyon), dont la ligne de la partie inférieure (intrados), est en forme d'arc. Dans ces ponts, l'ensemble des charges permanentes ou temporaires appliquées au pont est repris dans l'arc en compression pour être transféré sur les appuis en rives, les culées.

Pont en maçonnerie sur l'Antietam, un affluent du fleuve Potomac.

Ponts en arc dans le centre-ville d'Amsterdam.

Le pont Maximilien-Joseph à Munich.

Le pont Gebsattel à Munich.

Les Satsop River Bridges dans l'État de Washington.

Classification

Les ponts à voûtes

Les ponts à voûte font partie de la famille des ponts en arc, par leur forme, mais ils constituent une famille à part, autant par leur calcul, qui relève de la théorie des voûtes, que par leur procédé de construction. Leur appellation usuelle est pont en maçonnerie, le matériau les constituant l'ayant emporté dans la dénomination.

Les ponts voûtés couvrent les portées de 2 à 100 mètres. Pour les très petites portées, les ponceaux voûtés massifs et en plein cintre, essentiellement employés comme ouvrages de décharge hydraulique, sont des ouvrages plutôt rustiques, mais ils constituent une solution simple et robuste^[1]. Des ouvrages en voûte mince, constitués d'éléments préfabriqués en béton ou métalliques, sont souvent employés pour des ouvrages courants jusqu'à 9 m d'ouverture à condition que la hauteur de couverture du remblai reste inférieure à 7 m et que le rapport de leur hauteur à leur ouverture soit compris entre 0,6 et 1. Au-delà des ouvrages utilisés actuellement dans le domaine des ponts en arc sont en béton armé^[1].

Plusieurs critères peuvent différencier les ponts voûtés : la forme de la voûte, le type d’appareillage de la voûte, le type d’avant-bec ou d’arrière-bec. Ainsi, la voûte peut être en plein cintre (demi-cercle parfait), en arc de cercle (segment d’arc), en ogive, en anse de panier ou en ellipse^[2]. Le bandeau de la voûte peut être extradossé à pierres rayonnantes, à double rouleau, bloqué, à double rouleau non extradossé, en tas de charge, avec platebande en tas de charge^[2]. Les becs peuvent être triangulaires, en amande, rectangulaires, ou circulaires^[3].

Classement selon la forme de la voûte

Type d'ouvrage	Schéma	Photo	Commentaire
Arc en plein cintre		Vieux pont de Gien	L'arc de plein cintre est composé d'un demi-cercle complet, c'est le type de voûte le plus rencontré, présent dans environ 67 % des ponts ferroviaires en maçonnerie du réseau français. Les voûtes peuvent être surhaussées (c'est le cas pour le vieux pont de Gien), outrepassées (légère extension du demi-cercle) ou bombées (légère diminution du demi-cercle. Les Romains utilisèrent quasi exclusivement ce type de voûte[4].
ogival		Pont Saint-Martial	L'ogive est formée de deux arcs de cercle qui se coupent à la clef, on dit également arcs brisés. La forme est très ancienne mais c'est au Moyen Âge qu'elle fut largement employée, car elle présente entre autres l'avantage de réduire les efforts horizontaux, et facilite ainsi la construction arche par arche dans le cas de ponts à travées multiples[5].
arc de cercle		Pont des Invalides	Ces voûtes sont conçues à l'aide d'un arc de cercle inférieur à un demi-cercle. Le surbaissement des voûtes se développa à partir du XVIe siècle ; toutefois, c'est au XVIIIe siècle et sous l'influence de Jean-Rodolphe Perronet que les voûtes des ponts en maçonnerie devinrent beaucoup plus surbaissées qu'auparavant et les piles s'affinèrent de façon à favoriser l'écoulement des eaux[6].
anse de panier		Pont de Tolbiac	Très proche de l'ellipse, la voûte en anse de panier est composée d'un nombre impair d'arcs de cercle successifs dont les rayons varient au droit de la clef. Les concepteurs optaient généralement davantage pour ce type de voûte qui était plus facile à tracer que la forme elliptique. Elle possède également l'avantage de laisser passer un plus grand volume d'eau[7].

Les ponts en arc

Pont en arc

Avec le perfectionnement des propriétés de l'acier et des capacités de calculs apparurent les ponts en arc. Généralement, dans un pont en arc, la rivière ou la brèche est franchie en une seule fois par une seule arche alors que dans le pont à voûtes, le tablier repose sur des piles intermédiaires. Le pont en arc associe la compression à la flexion. Ils se caractérisent par le fait qu’ils exercent sur les culées un effort oblique tendant à écarter les points d’appui. Ils peuvent être différenciés selon la nature des matériaux de l’ouvrage (métal, béton armé, bois), selon la structure ou selon la position du tablier (porté, suspendu ou intermédiaire).

La structure permet de différencier principalement trois types de ponts en arc^[8] :

• les ponts encastrés sur leurs points d'appui. Ces ouvrages ne peuvent être réalisés que si le sol est très résistant car ils exercent des poussées importantes sur leurs culées et le moindre déplacement de celles-ci met l’ouvrage en péril.
• les ponts articulés aux deux points d'appui et au milieu de l'ouverture.
• les ponts articulés aux deux points d'appui seulement.

laire Un autre type de ponts est apparu dans les années 1990 en Chine : les ponts CFST (concrete filled steel tubular arch bridges, ponts en arc à tubes en acier remplis de béton) qui mixent plusieurs types de structures et de matériaux. L’arc de ces ponts est constitué de treillis de tubes métalliques remplis de béton. Ils permettent des portées très importantes pour des ponts en arc puisque les plus grands dépassent 400 m de portée^[9].

Critère	Type d'ouvrage	Élévation	Exemple	Descriptif
Position relative du tablier	tablier suspendu ou inférieur		Pont Elgin	Le tablier peut être suspendu à l'arc à l'aide d'un système de suspentes reliant les deux éléments par l'intermédiaire de nœuds d'extrémité communs. Différents types de suspentes peuvent être employés : câbles ou barres métalliques, potelets en béton armé, poutres en bois.
	tablier intermédiaire ou traversant		La Conner's Rainbow bridge	Les ponts à tabliers intermédiaires ont l'avantage d'autoriser de grands gabarits fluviaux ou maritimes, et dans le cas où les pieds d'arc se situent sur la rive de l'obstacle à franchir, cela minimise grandement le risque d'éventuels chocs avec des bateaux dans des zones à fortes navigations, comme ce fut malheureusement le cas pour le pont d’Almö en Suède.
	tablier porté ou supérieur		Pont de Bloukrans	Particulièrement adaptés au franchissement de brèches profondes où il n'est pas concevable de construire d'appuis intermédiaires, les ponts en arc à tabliers portés doivent cependant disposer de supports extrêmement stables pour transmettre tous les efforts de flexion au sol.
Matériau	Acier		Aggersundbroen	L'acier autorise une grande liberté au niveau architectural, ainsi, des constructions tout à fait particulières ont vu le jour à l'exemple des ouvrages de l'architecte Santiago Calatrava. De plus, les plus grandes portées sont réalisées avec l'acier. Le pont de Chaotianmen avec sa structure triangulée, atteint la portée record de 552 m[10].
	Béton armé		Pont de Saint-Pierre-du-Vauvray	Le béton est le matériau le plus économique pour les ponts en arc dont la plage de portées s'étend de 35 à 200 m. Les formulations de plus en plus sophistiquées permettent d'affiner les ouvrages pour des questions esthétiques et dans le but de réduire les quantités nécessaires, favorisant davantage ces économies et la mise en œuvre des différents éléments[11].
	Pont CFST		Pont de Liantuo	Les arcs des ponts CFST sont des tubes en acier remplis de béton. Le béton à l’intérieur du tube d’acier empêche celui-ci de flamber, tandis que le tube d'acier renforce le béton pour résister à des contraintes de tension et améliore sa résistance à la compression et la ductilité. Ce type de pont est apparu en Chine en 1990. En mars 2005, 229 ponts en arc CFST de plus de 50 mètres de portée avaient été construits ou étaient en construction en Chine[12],[11].
	Bois		Kintai kyo	Matériau écologique et particulièrement esthétique, le bois s'adapte bien aux ponts en arc du fait de sa bonne résistance en compression. L'ossature de ces ouvrages peut être très variée : poutres cintrées, structures triangulées, en bois massif, en lamellé-collé, avec une large gamme d'essence disponible. Leur plage de portées s'étend généralement jusqu'à 60 m[13].
Nombre d'articulations	Deux		Viaduc de Garabit	Les articulations autorisent des déplacements latéraux et verticaux des structures, ce qui offre alors une certaine souplesse à l'ensemble. Elles sont employées par exemple sur les ouvrages en arc ferroviaires et plus particulièrement sur les lignes à grande vitesse (LGV) qui conduisent à des sollicitations beaucoup plus importantes des différents éléments du pont. Dans le cas de ponts en béton, une articulation à la clef évitera l'apparition de fissures si des tassements surviennent aux appuis[14],[15].
	Trois		Viaduc du Viaur
Cas particuliers	Pont lenticulaire		Royal Albert Bridge	Ces ouvrages disposent de deux structures porteuses en arc opposées l'une face à l'autre, rappelant la forme d'une lentille convexe[16],[17]. Certains possèdent uniquement une arche inférieure en position retournée placée sous le tablier comme c'est le cas pour le pont de Shiosai (ja) au Japon[18].
	Pont bow-string		Viaduc de Briare	Des tirants rejoignent les deux extrémités de l'arc et reprennent en grande partie les efforts de flexion. À la différence des ponts en arc, les ponts de type bow-string transmettent des efforts verticaux sur leurs appuis[19], ils sont donc souvent classés parmi les ponts à poutre, on peut trouver par ailleurs la dénomination poutre bow-string. Ces ouvrages peuvent être métalliques ou en béton ; ils s'adaptent à de nombreux domaines : ponts routes, ponts ferroviaires, passerelles.

Schéma avec représentation des différents ponts en arc.

Histoire

Le pont du Gard est un pont en maçonnerie sur trois niveaux construit à l'époque romaine.

Ponts en maçonnerie

Ce type de ponts remonte à l'Antiquité. Plus tard, les Romains ajoutèrent du ciment à leurs constructions. Les Romains ne réalisèrent pas que des ponts en demi-cercles, mais aussi des ponts plus longs, fins et elliptiques. Plusieurs de ces anciens ponts sont toujours debout de nos jours.

Ponts en bois

Le pont de Trajan sur le Danube est représenté sur la colonne Trajane.

Ponts métalliques

Ponts en béton armé

Le pont Camille-de-Hogues est un des premiers ponts en arc construit en béton armé en 1900, à Châtellerault.

Conception

Fonctionnement et descriptif

Les ponts voûtes

Pont de la Planche à Liré (Maine-et-Loire).

L'ensemble des charges est reporté sur les voûtes qui les transmettent aux culées. Ces forces sont généralement verticales et dirigées vers le bas. Les ponts en arc sont ainsi constamment comprimés. La pierre étant un matériau incompressible, facilement disponible et durable, les ponts voûtés furent les premiers à être imaginés. Ils résistent à la flexion et à la compression et leur poids est reparti sur leurs poutres.

Viaducs

Par endroits, il est nécessaire d'enjamber un espace large à une altitude relativement élevée, comme quand un approvisionnement en eau doit enjamber une vallée. Plutôt que construire des voûtes extrêmement grandes ou des colonnes de support gigantesques, une série de structures arquées est érigée, plaçant les voûtes les unes sur les autres, les plus larges à la base. Les ingénieurs romains ont développé ce type de construction en utilisant seulement les matériaux, l'équipement, et les mathématiques simples de l'époque. Ce type de construction est encore utilisé pour des viaducs ou des chaussées, car il a une forme visuellement agréable, en particulier pour enjamber des cours d'eau, où les reflets donnent l'impression de voir des cercles ou des ellipses.

Construction

Ponts en arc remarquables

Plus grandes portées

La portée, distance entre les piles de la travée principale, est l'indicateur servant à classer les ponts en arc. Le pont de Chaotianmen, situé à Chongqing, en Chine, est, avec ses 552 mètres de portée, le pont en arc le plus long au monde. Il devance le pont de Lupu, situé à Shanghai, qui détenait l'ancien record avec 550 mètres.

Sur les 20 plus grands ponts en arc classés selon leur portée, 16 ont été construits en Chine.

Top 20 des plus grandes portées

Image	Rg	Nom	Fonction	Portée	Longueur	Type	Voie portée	Brèche franchie	Terminé en	Localisation	Pays	Réf
	1	Pont de Chaotianmen 重庆朝天门长江大桥	routier - ferroviaire	552	1741	Acier, tablier intermédiaire à 2 niveaux 190+552+190		Yangzi Jiang	2009	Chongqing (centre urbain) 29° 35′ 20″ N, 106° 34′ 39″ E	Chine	[S 1],[20]
	2	Pont de Lupu 卢浦大桥	autoroutier	550	3900	Acier, tablier intermédiaire arc double en poutre-caisson de 5 x 6 m au sommet et 5 x 9 m à la base	South-North Elevated Road	Huangpu	2003	Shanghai (centre urbain) 31° 11′ 26″ N, 121° 28′ 33″ E	Chine	[S 2],[21],[22]
	3	Pont de Bosideng 波司登大桥	autoroutier	530	841	CFST, tablier intermédiaire	Voie express de Chengdu-Chongqing	Yangzi Jiang	2013	Xian de Hejiang, Sichuan 28° 53′ 31,9″ N, 105° 52′ 47,1″ E	Chine	[23].
	4	New River Gorge Bridge	routier	518	924	Acier, tablier porté	U.S. Route 19	New River	1977	Fayetteville (Virginie-Occidentale) 38° 04′ 15″ N, 81° 04′ 48″ O	États-Unis	[S 3],[24]
	5	Pont de Xiangxi	autoroutier	508	814,5	CFST arc en treillis réticulé	Route S255	Yangzi Jiang	2019	Xian de Zigui (Hubei) 30° 57′ 32,2″ N, 110° 45′ 33,9″ O	Chine	[25]
	6	Premier pont de Hejiang	routier	507	618	CFST, tablier intermédiaire		Yangzi Jiang	en construction	Xian de Hejiang (Sichuan) 28° 49′ 13″ N, 105° 49′ 58,6″ O	Chine	[26]
	7	Bayonne Bridge	routier	504	1761	Acier, tablier intermédiaire		Kill Van Kull	1931	Kill Van Kull (New Jersey, New York) 40° 38′ 31″ N, 74° 08′ 31″ O	États-Unis	[S 4]
	8	Harbour Bridge	routier, ferroviaire, piéton	503	1149	Acier, tablier intermédiaire		Port Jackson (baie de Sydney)	1932	Sydney 33° 51′ 09″ S, 151° 12′ 38″ E	Australie	[S 5]
	9	Pont de Darui sur la rivière Nujiang	ferroviaire	490	1024	CFST arc en treillis réticulé	ligne de Dali à Ruili	rivière Nujiang	2019	Xian de Longling (Yunnan) 24° 44′ 53,5″ N, 98° 56′ 55,2″ E	Chine	[27]
	10	Pont sur le Chenab	ferroviaire	467	612	Acier, tablier porté	Kashmir Railway	Chenab	2021 (en construction)	Reasi (Jammu-et-Cachemire) 33° 09′ 03″ N, 74° 52′ 58,7″ E	Inde	[28]
	11	Pont de Wushan 巫山长江大桥	routier	460	612	CFST, tablier intermédiaire		Yangzi Jiang	2005	Wushan (Chongqing) 31° 03′ 40″ N, 109° 54′ 23″ E	Chine	[S 6]
	12	Pont de Mingzhou 明州大桥	routier	450	1250	Acier, tablier intermédiaire à 2 niveaux 190+552+190		Yongjiang	2014	Ningbo, Zhejiang 29° 54′ 48,1″ N, 121° 39′ 04,1″ E	Chine	[29]
	13	Pont de Zhaoqing	ferroviaire	450	618	Acier, tablier intermédiaire à 2 niveaux 190+552+190		Xijiang	2011	Wushan (Chongqing) 23° 07′ 28,9″ N, 112° 24′ 07,8″ E	Chine	[S 7]
	14	Pont de Daxiaojing	autoroutier	450	1501	Acier, tablier intermédiaire	autoroute Pingtang-Luodian Expressway		2019	Dongdangxiang, (Guizhou) 25° 32′ 54,5″ N, 106° 51′ 47,1″ E	Chine	[30]
	15	Pont de Qinglong	ferroviaire	445	721	Béton, tablier porté	LGV Shanghai - Kunming	Beipanjiang	2016	Wushan (Chongqing) 25° 57′ 00,7″ N, 105° 15′ 18,4″ E	Chine	[31]
	16	Pont ferroviaire de Yachi	ferroviaire	416	852	Acier, tablier intermédiaire arc en treilis réticulé, des suspentes relient arc et tablier	Guiyang à Chengdu	rivière Wu	2018	Comté de Xian, (Guizhou) 26° 53′ 03,5″ N, 106° 17′ 24,2″ E	Chine	[32]
	17	Pont de Zhijinghe	autoroutier	430	547	CFST, tablier supérieur	Voie express G50 Shanghai–Chongqing	Zhijinghe River	2009	Dazhipingzhen (Hubei) 30° 38′ 29″ N, 110° 11′ 37″ E	Chine	[S 8]
	18	Pont de Xinguang 新光大桥	routier	428	782	Acier, béquilles béton, tablier intermédiaire 177+428+177	Xinguang Expy	Rivière des Perles	2008	Guangzhou (Guangdong) 23° 03′ 10″ N, 113° 19′ 18″ E	Chine	[S 9]
	19	Pont de Wanxian 万州长江公路大桥	routier	420	864	Béton, tablier porté	G318 Yuyi Expy	Yangzi Jiang	1997	Wanzhou (Chongqing) 30° 45′ 36″ N, 108° 25′ 11″ E	Chine	[S 10]
	20	Pont de Caiyuanba 重庆菜园坝长江大桥	routier - ferroviaire	420	1741	Acier, béquilles béton tablier intermédiaire à 2 niveaux, des suspentes relient arc et tablier	2x3 voies routières Ligne 3 (Métro de Chongqing)	Yangzi Jiang	2007	Chongqing (centre urbain) 29° 32′ 38″ N, 106° 32′ 52″ E	Chine	[S 11],[33]