CN106522078B - 缆拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缆拱桥，主要由拱肋、缆索、吊杆、桥面系、高墩台和散索鞍组成；所述的散索鞍设在高墩台的顶部，高墩台的底部设有基础；所述的缆索锚固在高墩台上；所述的拱肋的拱脚位于高墩台上；在缆索和桥面系之间以及拱肋和桥面系之间均分别布置设有吊杆，使桥面系的一部分荷载由缆索和桥面系之间的吊杆传至缆索，另一部分荷载由拱肋和桥面系之间的吊杆传至拱肋，使缆索的水平分力参与平衡拱肋产生的水平推力，减轻了拱肋受力，增加拱肋的稳定性。本发明的缆拱桥受力合理，具有承载力高、跨越能力大、经济效益好、外形美观等优点，特别适用于软土地区及应用于多功能桥梁。

Description

缆拱桥

技术领域

本发明属于一种拱桥与悬索结构的协作体系，具体涉及了一种缆拱桥。

背景技术

拱结构是受压为主，拱桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。它在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。而这种水平推力将显著抵消荷载所引起在拱圈(或拱肋)内的弯矩作用，所以其与同等跨度的梁相比，拱的弯矩和挠度要小的多。拱桥跨越能力较大、对地形适应能力强、造价经济且外形也较美观，其在桥梁结构当中应用相当广泛。拱桥在我国的应用有着悠久的历史,取得过辉煌的成就，极具代表性的是建于公元605年左右的赵州石拱桥。随着材料的更新拱桥的跨度也在逐渐增加。目前拱桥按主拱的建筑材料划分的4类拱桥的跨径纪录均在中国,它们分别是主跨径146m的山西丹河新桥(石拱桥)、主跨径420m的万州(县)长江大桥(钢筋混凝土拱桥)、主跨径460m的巫峡长江大桥(钢管混凝土拱桥)和主跨径552m的重庆朝天门大桥(钢拱桥)。由此可以看出尽管材料的改进会提高拱桥的跨径，但是这种提高是有局限的，拱桥本身的受力形式决定了其跨越能力不会太大。随着拱桥的跨径增加，其自重和水平推力会增大，从而导致拱桥的下部结构工程量增大，施工费用增高；另外拱桥的稳定性也会随着跨径的增加而降低，所以其在大跨径桥梁中已不具优势，甚至不适用。

悬索桥结构具有受力性能好、跨越能力大、轻巧美观、抗震能力强、结构形式多样及对地形适应能力好等特点，在许多跨越大江大河、高山峡谷、海湾港口等交通障碍物时，往往作为首选的桥型。悬索桥主要是由主塔、主缆、加劲梁、吊杆、鞍座、索夹、锚碇等构件组成，根据是否存在锚碇可划分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。其中自锚式悬索桥主缆锚固于加劲梁上，但由于其自身结构上的限制难以应用到特大跨径的悬索桥上。通常，在大跨径桥梁的选型上，更适合修建地锚悬索桥。但是在一般常规式的地锚式悬索桥，需要建造体积庞大的锚碇来锚固缆索，这就造成在地质情况差的地方，锚碇结构的基础工程量非常大，往往成为工程的难点；地锚式悬索桥锚碇和锚碇基础占有工程造价的相当可观部分，成为影响悬索桥结构经济性的重要方面；在城市地区或旅游区，修建体积庞大的锚碇，对环境美观也会产生负面影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种结合拱桥及悬索结构的优点、桥面系荷载由拱肋和缆索共同承担的缆拱桥。缆索既是承载构件，又起到完全平衡或部分平衡拱肋所产生的水平推力的作用。本发明的缆拱桥受力合理，具有承载力高、跨越能力大、经济效益好、外形美观等优点，特别适用于软土地区及应用于多功能桥梁。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种缆拱桥，主要由拱肋、缆索、吊杆、桥面系、高墩台和散索鞍组成；所述的散索鞍设在高墩台的顶部，高墩台的底部设有基础；所述的缆索锚固在高墩台上；所述的拱肋的拱脚位于高墩台上；在缆索和桥面系之间以及拱肋和桥面系之间均分别布置设有吊杆，使桥面系的一部分荷载由缆索和桥面系之间的吊杆传至缆索，另一部分荷载由拱肋和桥面系之间的吊杆传至拱肋，使缆索的水平分力参与平衡拱肋产生的水平推力，减轻了拱肋受力，增加拱肋的稳定性。

在本发明中，作用于桥面系上的荷载遵循以下传力路径：桥面系→吊杆→缆索和拱肋→高墩台→平衡或部分平衡。本发明的缆索取代了拱桥系杆，兼作承重结构，与拱肋共同承担桥面系传来的荷载，通过适当调整吊杆的布置，使拱肋产生的水平推力可由缆索的水平分力平衡或由缆索的水平分力和基础反力共同平衡，减轻了拱肋受力，大大增加了拱肋的稳定性。

本发明进一步说明，所述的拱肋不倾斜时，为普通拱；所述的拱肋向内倾斜时，为提篮拱。

本发明的进一步说明，所述的桥面系可为一层或多层；在两个高墩台之间还可设多个桥面系，所有桥面系的荷载均由缆索和拱肋共同承担。

本发明的进一步说明，所述的高墩台为拱座，同时也是缆索的锚固端；当调整吊杆布置，使拱肋产生的水平推力完全由缆索的水平分力平衡时，所述的高墩台合力竖直向下，轴向受压；当调整吊杆布置，使拱肋产生的水平推力不完全由缆索的水平分力平衡时，所述的高墩台为偏心高墩台，合力斜向下，只受轴力作用。

本发明的进一步说明，所述的拱肋可为钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构；所述的缆索和吊杆可为钢绞线；所述的高墩台和基础为钢筋混凝土结构。

本发明的进一步说明，缆索和桥面系之间的吊杆和桥面系之间以及拱肋和桥面系之间的吊杆相互错开布置。同一侧的吊杆相互错开均匀布置，拱肋和缆索平均分担桥面系的荷载，是本发明的优选方案。本发明总体构思下，可以根据实际情况，即根据拱肋产生的水平推力与缆索的水平张力的差值来合理调整吊杆的布置方式，使拱肋和缆索共同分担桥面系的荷载即可。

本发明的优点：

1.本桥在保持拱桥优越性的前提下，桥面系的荷载由缆索和拱肋共同承担，减轻了拱肋受力及变形，从而减少了拱肋截面面积，同时拱肋产生的水平推力也大幅度减少，且拱肋的稳定性大幅度增加。

2.缆索的水平分力参与平衡拱肋所产生的水平推力。

3.缆拱桥受力合理，具有承载力高、跨越能力大、经济效益好、外形美观等优点，特别适用于软土地区及多功能桥梁。

4.施工方便，施工工艺成熟。

附图说明

图1中本发明的立面图。

图2-图6是缆拱桥受力分析图。

附图标记：1-拱肋；2-缆索；3-吊杆；4-桥面系；5-高墩台；6-散索鞍；7-基础。

具体实施方式

结合图2-图6对本发明的力学及其结构原理进行说明：

1.力学及其结构原理

为方便分析缆拱桥的受力特征，将拱圈(即拱肋)自重、缆索自重和桥面系自重均简化为均布荷载，结构受力如图2所示，g₁为拱圈自重均布荷载，g₂为缆索自重均布荷载，g₃为桥面系自重均布荷载，现分析如下：

缆索拉力和拱肋水平推力满足关系式

H_G＝H_G1+H_G2 (1)

H_S＝H_S1+H_S2 (2)

H_G——拱肋总的水平推力

H_G1——拱肋自重产生的水平推力

H_G2——桥面系自重通过吊杆作用于拱肋时所产生的水平推力

H_S——缆索总的水平张力

H_S1——缆索自重产生的水平张力

H_S2——桥面系自重通过吊杆作用于缆索时所产生的水平张力

拱肋自重g₁产生的水平推力

l——桥梁跨径

f_G——拱圈矢高

缆索自重g₂产生的水平拉力

f_S——缆索矢高

桥面系自重g₂分别使拱肋和缆索产生的水平力为

μ——桥面系荷载分配系数，表示桥面系作用于拱肋的荷载与桥面系总荷载的比值

当满足条件H_G＝H_S时，结构处于无推力状态，即

为研究拱肋截面面积A与μ值的关系，分析如下：当μ＝0时，桥面系荷载完全由缆索承担，则有

现假定在满足构造要求的前提下，缆索自重与作用于缆索的桥面系荷载等比例减小，拱肋平均横截面积不变，即

g₁＝Aγ (10)

γ——拱肋材料容重

A——拱肋平均横截面积

当μ≠0时，根据(9)式对(7)式进行修改并将(10)式代入得

将(11)式化简为

可以看到，在满足构造要求的前提下，在荷载、矢高、材料确定时，A与μ呈线形变化关系，当μ增大时，A减小，即拱肋的材料用量减小了，此时缆索的材料用量也相应的减小。同时，可以通过调整参数μ的值使得结构处于无推力状态。

2.偏心高墩台力学原理

当拱肋所产生的水推力不完全由缆索的水平分力来平衡时，高墩台受力如图3所示，F_X为高墩台所受的水平力，F_y为高墩台所受的竖向力，L₀为高墩台顶部顺桥向方向的截面长度，为简化计算，忽略高墩台自重，现分析如下：

对形心点取矩，由合力矩为零可推出高墩台的合力偏心线方程：

则高墩台顺桥向方向的任意截面长度为：

L(z)＝2f(z)+L₀ (14)

将(13)式代入(14)式可知：

若高墩台保持面积A₁不变则可推出高墩台的宽度线函数为：

分析表明，当高墩台形心线满足(13)式时，高墩台在如图3所示的外力作用下，只受轴向力作用。在不考虑高墩台自重情况下，其偏心线为线性函数，若保持高墩台截面面积不变，其宽度线为双曲线，如图4所示，可保材料得到充分的利用。

当考虑高墩台自重时，分析如下：

在考虑高墩台自重时，假设其截面面积为A₁，并保持不变；假设高墩台高为H。如图5所示，将墩台等分成n等分，每一个窄条曲边梯形用窄条矩形近似，每一个矩形的长度为：

如图6所示，取隔离体分析，对O_i取矩，由合力矩为零可知；

由式(17)和式(18)，可推出坐标迭代式为:

z_i＝z_i-1+Δ,(i＝0,1,···,n) (19)

式中，

z₀＝0,x₀＝0 (21)

根据最小二乘法，偏心线函数f(z)可用多项式P(z)近似，假设P(z)为：

P(z)＝aq^T (23)

式中：

a＝(a₀,a₁,···,a_k) (24)

q＝(1,z,···,z^k) (25)

a矩阵可由下式求出：

由式(23)和式(26)可知:

要求出J的最小值，需在式(27)中对a求导，

矩阵形式：

由式(19)、式(20)和式(29)可以导出：

z^Tza＝z^Tx (30)

式中：

由式(30)可知:

a＝(z^Tz)^-1z^Tx (33)

系数矩阵a可由式(33)求出，因此偏心线函数f(z)可用多项式表达为：

f(z)≈P(z)＝(z^Tz)^-1z^Txq^T (34)

近似函数的收敛条件为：

R＝|P_n(z)-P_n-1(z)|＜ε (35)

式中P_n(z)和P_n-1(z)分别为高墩台分成n等分和n-1等分时的近似多项式。拟合度可定义为：

当r接近1时，认为可以被很好的近似函数。此时,任意截面长度为：

L(z)＝2(z^Tz)^-1z^Txq^T+L₀ (36)

由于高墩台的截面面积A₁保持不变，因此：

2y_i·(2x_i+L₀)＝A₁ (38)

由式(20)和式式.(38)可推出：

同理，宽度线函数g(z)可用多项式Q(z)表示为：

g(x)≈Q(z)＝(z^Tz)^-1z^Tyq^T (40)

式中矩阵q和矩阵z分别见式(25)和式(31)，而

同理任意截面宽度可表示为：

W(z)＝2|(z^Tz)^-1z^Tyq^T| (42)

综上所述，当拱肋所产生的水平推力没有由缆索的水平张力完全平衡时，高墩台受到竖向力和水平力的作用，利用上述方法可以使高墩台处于无弯矩状态。

下面结合附图和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。

实施例：

本实施例的缆拱桥的跨度布置均与巫峡长江大桥(总投资1.96亿元)相同。如图1所示，一种缆拱桥，主要由拱肋1、缆索2、吊杆3、桥面系4、高墩台5和散索鞍6组成；所述的散索鞍6设在高墩台5的顶部，高墩台5的底部设有基础7；所述的缆索2锚固在高墩台5上；所述的拱肋1的拱脚位于高墩台5上；在缆索2和桥面系4之间以及拱肋1和桥面系4之间均分别布置设有吊杆3，使桥面系4的一部分荷载由缆索2和桥面系4之间的吊杆传至缆索2，另一部分荷载由拱肋1和桥面系4之间的吊杆传至拱肋1；所述的高墩台为拱座，同时也是缆索2的锚固端；调整吊杆布置，使缆索2的水平分力平衡拱肋1产生的水平推力完全平衡，减轻了拱肋1受力，增加拱肋1的稳定性。

方案一：采用上述的结构形式，主拱矢跨比为1/4.88，缆索垂跨比为1/10；方案二：同样采用上述的结构形式，但高跨比为1/6；缆索垂跨比为1/12。

若采用常规设计，需设置截面面积较大的拱肋及系杆，经计算，与巫峡长江大桥相比，方案一的拱肋受力减少2/5，因此拱肋面积减少2/5，此费用即省去0.32亿元；缆索(与原系杆相比)面积减少接近1/3，此费用即省去0.14亿元，索鞍及猫道安装施工费增加0.1亿元；缆拱桥高墩台增高，此费用为0.05亿。因此，与巫峡长江大桥普通拱桥相比，缆拱桥一共省了0.31亿。同时缆拱桥的拱肋轴力减小30％，稳定承载力提高70％。

方案二的拱肋受力减少一半，因此拱肋面积减少一半，此费用即省去0.4亿元；缆索(与原系杆相比)面积减少一半，此费用即省去0.13亿元，索鞍及猫道安装施工费增加0.1亿元；缆拱桥高墩台增高，此费用为0.04亿。因此，与巫峡长江大桥普通拱桥相比，缆拱桥一共省了0.39亿。同时缆拱桥的拱肋轴力减小50％，稳定承载力提高65％。

实施例技术参数对比表

	费用节省(亿元)	拱肋轴力减少(％)	稳定承载力提高(％)
				方案一	0.31	30	70
方案二	0.39	50	65

Claims (5)

1.一种缆拱桥，其特征在于：主要由拱肋（1）、缆索（2）、吊杆（3）、桥面系（4）、高墩台（5）和散索鞍（6）组成；所述的散索鞍（6）设在高墩台（5）的顶部，高墩台（5）的底部设有基础（7）；所述的缆索（2）锚固在高墩台（5）上；所述的拱肋（1）的拱脚位于高墩台（5）上；在缆索（2）和桥面系（4）之间以及拱肋（1）和桥面系（4）之间均分别布置设有吊杆（3），使桥面系（4）的一部分荷载由缆索（2）和桥面系（4）之间的吊杆传至缆索（2），另一部分荷载由拱肋（1）和桥面系（4）之间的吊杆传至拱肋（1），使缆索（2）的水平分力参与平衡拱肋（1）产生的水平推力，减轻了拱肋（1）受力，增加拱肋（1）的稳定性；所述的高墩台（5）为拱座，同时也是缆索（2）的锚固端；当调整吊杆（3）布置，使拱肋（1）产生的水平推力完全由缆索（2）的水平分力平衡时，所述的高墩台（5）合力竖直向下，轴向受压；当调整吊杆（3）布置，使拱肋（1）产生的水平推力不完全由缆索（2）的水平分力平衡时，所述的高墩台（5）为偏心高墩台，合力斜向下，只受轴力作用。

2.根据权利要求1所述的缆拱桥，其特征在于：所述的拱肋（1）不倾斜时，为普通拱；所述的拱肋（1）向内倾斜时，为提篮拱。

3.根据权利要求1或2所述的缆拱桥，其特征在于：所述的桥面系（4）为一层或多层；在两个高墩台（5）之间还可设多个桥面系，所有桥面系的荷载均由缆索（2）和拱肋（1）共同承担。

4.根据权利要求1或2所述的缆拱桥，其特征在于：所述的拱肋（1）为钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构；所述的缆索（2）和吊杆（3）均分别采用钢绞线；所述的高墩台（5）和基础（7）为钢筋混凝土结构。

5.根据权利要求1所述的缆拱桥，其特征在于：缆索（2）和桥面系（4）之间的吊杆、拱肋（1）和桥面系（4）之间的吊杆相互错开布置。