CN108166376A - 带箍拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带箍拱桥，主要由拱肋、桥面系、刚性竖联、柔性吊杆和横撑组成；在桥面系的1/4、l/2及3/4处分别设置一对刚性竖联，桥面系的其余位置则均匀布置柔性吊杆；所述的刚性竖联的上端与拱肋连接、下端与桥面系连接；所述的刚性竖联与桥面系、横撑形成刚性箍。刚性箍增加了结构竖向及横向刚度、减少拱肋的变形。本发明的带箍拱桥受力合理，具有稳定性好、刚度大、经济效益好、外形美观等优点，对拱桥实现刚度提升与稳定性瓶颈的突破提供了新的有效途径，具有极大的工程应用价值。

Description

带箍拱桥

技术领域

本发明属于一种拱桥体系，具体涉及了一种带箍拱桥。

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。以承受轴向压力为主的拱圈或拱肋作为主要承重构件的桥梁，拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造；大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造，以承受发生的力矩。按拱圈的静力体系分为无铰拱、双铰拱、三铰拱。前二者为超静定结构，后者为静定结构。无铰拱的拱圈两端固结于桥台，结构最为刚劲，变形小，比有铰拱经济，结构简单，施工方便，是普遍采用的形式，但修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承，结构虽不如无铰拱刚劲，但可减弱桥台位移等因素的不利影响，在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方，可采用双铰拱桥。三铰拱则是在双铰拱的拱顶再增设一铰，结构的刚度更差些，拱顶铰的构造和维护也较复杂，一般不宜作主拱圈。拱桥是我国最常用的一种桥梁型式，其式样之多，数量之大，为各种桥型之冠，特别是公路桥梁，据不完全统计，我国的公路桥中7%为拱桥。由于我国是一个多山的国家，石料资源丰富，因此拱桥以石料为主。建于公元1990年，跨径120m的湖南乌巢河大桥，是当今世界跨径第一的石拱桥。我国建造的钢筋混凝土拱桥的形式更是繁花似锦，式样之多当属世界之最，其中建造得比较多的是箱形拱、双曲拱、肋拱、桁架拱、刚架拱等，它们大多数是上承式桥梁，桥面宽敞，造价低廉。

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552 m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。悬索桥的构造方式是19世纪初被发明的，许多桥梁使用这种结构方式。现代悬索桥，是由索桥演变而来。适用范围以大跨度及特大跨度公路桥为主，当今大跨度桥梁全采用此结构。是大跨径桥梁的主要形式。悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁，由主塔、主缆、加劲梁、吊杆、鞍座、索夹、锚碇等构件组成，悬索桥的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材（钢丝、钢缆等）制作。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。1998年建成的日本明石海峡桥的跨径为1991米，是目前世界上跨径最大的桥梁。悬索桥的主要缺点是刚度小，在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动，需注意采取相应的措施。按照桥面系的刚度大小，悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥的桥面系一般不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S形的变形，对行车不利，但它的构造简单，一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面用加劲梁加强，刚度较大。加劲梁能同桥梁整体结构承受竖向荷载。除以上形式外，为增强悬索桥刚度，还可采用双链式悬索桥和斜吊杆式悬索桥等形式，但构造较复杂。与拱桥用刚性的拱肋作为承重结构不同，其采用的是柔性的悬索作为承重结构。为了避免在车辆驶过时，桥面随着悬索一起变形，现代悬索桥一般均设有刚性梁（又称加劲梁）。桥面铺在刚性梁上，刚性梁吊在悬索上。现代悬索桥的悬索一般均支承在两个塔柱上。塔顶设有支承悬索的鞍形支座。承受很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中，也有个别固定在刚性梁的端部者，称为自锚式悬索桥。对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离。悬索桥可以造得比较高，容许船在下面通过，在造桥时没有必要在桥中心建立暂时的桥墩，因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。 悬索桥比较灵活，因此它适合大风和地震区的需要，比较稳定的桥在这些地区必须更加坚固和沉重。悬索桥的坚固性不强，在大风情况下交通必须暂时被中断悬索桥不宜作为重型铁路桥梁悬索桥的塔架对地面施加非常大的力，因此假如地面本身比较软的话，塔架的地基必须非常大和相当昂贵。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提出一种新的拱桥——带箍拱桥，其结合了铁路桥的优点，用刚性竖联来提供强大的刚性连接与支撑、整体稳定性。与同材料用量的柔性吊杆拱桥相比，强度承载力维持不变，刚度与稳定承载力大幅提高。本发明为拱桥实现刚度提升与稳定性瓶颈的突破提供了新的有效途径，具有极大的工程应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种带箍拱桥，主要由拱肋、桥面系、刚性竖联、柔性吊杆和横撑组成；在桥面系的1/4、l/2及3/4处分别设置一对刚性竖联，桥面系的其余位置则均匀布置柔性吊杆；所述的刚性竖联的上端与拱肋连接、下端与桥面系连接；所述的刚性竖联与桥面系、横撑形成刚性箍。所述的刚性箍增加了结构竖向及横向刚度、减少拱肋的变形，从而使结构具有更好的稳定性、更大的刚度大。

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/刚性竖联→拱肋→基础。本发明的刚性竖联与横撑、桥面系形成刚性箍，在保证结构强度承载力不下降的前提下，增加了结构的刚度及稳定性。

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。

本发明进一步说明，可根据桥面系位置不同，可以分为中承式带箍拱桥、下承式带箍拱桥。下承式带箍拱桥即为桥面系的两端分别与拱肋的两端相连接，均使用同一个基础支撑；中承式带箍拱桥则是桥面系的两端在拱肋两端的上方。

本发明进一步说明，所述的拱肋与常规拱肋结构类似，可为钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构；所述的刚性竖联为钢结构。所述的桥面系采用常规的结构形式。

本发明的优点：

1.本桥在保持拱桥优越性的前提下，所增加的刚性竖联与桥面系、横撑形成刚性箍，刚性箍增加了结构竖向及横向刚度、减少拱肋的变形。

2.本发明的带箍拱桥受力合理，具有稳定性好、刚度大、经济效益好、外形美观等优点，对拱桥实现刚度提升与稳定性瓶颈的突破提供了新的有效途径，具有极大的工程应用价值。

3.施工方便，施工工艺成熟。

附图说明

图1是本发明中一实施例下承式带箍拱桥的结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是本发明中另一实施例中承式带箍拱桥的结构示意图。

图4是本发明中一实施例的刚性箍的结构示意图。

图5是非保向力系对拱稳定的影响的示意图。

图6是非保向力系受力分析结构示意图。

图7是非保向力系受力分析线性示意图。

附图标记：1-拱肋，2-桥面系，3-刚性竖联，4-柔性吊杆，5-横撑。

具体实施方式

结合图4-图7，对本发明的力学原理及其结构进行说明：

1.结构整体刚度

如图4所示，刚性竖联与桥面系、横撑形成矩形刚性箍。与传统拱桥相比，增加了结构整体竖向刚度EI_X、横向刚度EI_y，使得结构的横向失稳及面内失稳各自的第一阶临界荷载系数增大，从而提高了结构的稳定系数，同时还可以减少拱肋的变形。

2.非保向力效应

刚性竖联及柔性吊杆的工作状态对对带箍拱桥的稳定性的影响不容忽视。对于上承式或中承式带箍拱桥，当拱肋发生横向失稳时（如图5所示），刚性竖联及柔性吊杆受到桥面系施加的水平约束而变成倾斜，产生的水平分力有减缓拱肋发生失稳的趋势，此时非保向力的影响是正面效应。下面以下承式带箍拱桥为例来讨论非保向力系对其侧向稳定及竖向稳定的影响：

（1）侧向稳定

拱肋侧倾后，吊杆及刚性杆发生倾斜，如图6所示，其拉力S对桥面产生了一个向外的水平分力，使之发生侧向弯曲变形u_b(x)，而对拱肋产生了一个向内的水平分力H(x)：

其中，

这个恢复力就是非保向力效应，相当于水平弹簧支撑效应。考虑到桥面侧向刚度（EI_by）相对于拱肋要大得多，近似取，则u_b接近为零，故式（2）可简化成：

传统拱桥仅设置柔性吊杆，而带箍拱桥增设了三对刚性竖联，在相同力作用下，与刚性竖联相比柔性吊杆更容易发生变形，因此刚性竖联将表现出更好的保向力作用。

（2）竖向稳定

当拱肋发生面内失稳时，若桥面具有较好的竖向刚度，刚性竖联还可对拱肋起到支撑作用，可以有效减缓拱肋失稳的趋势，而柔性吊杆则会丧失保向力作用。

综上所述，带箍拱桥体现出良好的力学性能，具有稳定性好、刚度大、经济效益好、外形美观等优点，对拱桥实现刚度提升与稳定性瓶颈的突破提供了新的有效途径。

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：

本实施例的带箍拱桥的跨度布置均与波司登长江大桥（总投资2.76亿元）相同。具体为：一种带箍拱桥，主要由拱肋1、桥面系2、刚性竖联3、柔性吊杆4和横撑5组成；在桥面系2的1/4 、l/2及3/4处分别设置一对刚性竖联3，桥面系2的其余位置则均匀布置柔性吊杆4；所述的刚性竖联3的上端与拱肋1连接、下端与桥面系2连接；所述的刚性竖联3与桥面系2、横撑5形成刚性箍。刚性箍增加了结构竖向及横向刚度、减少拱肋的变形，从而使结构具有更好的稳定性、更大的刚度大。 根据桥面系的设置位置，有以下两种方案：

方案一为下承式带箍拱桥，如图1所示，并采用上述的结构形式，主拱矢跨比为1/4.5，设置三对刚结构竖联。若采用常规设计，与波司登长江大桥相比：本方案的拱肋受力基本相同，故拱肋面积基本不变；横撑材料用量减少了30%、柔性吊杆减少了10%，此费用即省去0.01亿元；所增加的刚性竖联费用为0.0047亿元；因此，与永和大桥普通拱桥相比，带箍拱桥一共省了0.2%的费用。同时带箍拱桥的刚度增大了50%，稳定承载力提高了50%。

方案二为中承式带箍拱桥，如图3所示，并采用上述的结构形式，主拱矢跨比为1/5，设置三对刚结构竖联。若采用常规设计，与波司登长江大桥相比：本方案的拱肋受力基本相同，故拱肋面积基本不变；横撑材料用量减少了30%、柔性吊杆减少了10%，此费用即省去0.01亿元；所增加的刚性竖联费用为0.0031亿；因此，与波司登长江大桥普通拱桥相比，带箍拱桥一共省了0.25%的费用。同时带箍拱桥的刚度增大了30%，稳定承载力提高了50%。

实施例技术参数对比表

Claims (4)

1.一种带箍拱桥，其特征在于：主要由拱肋（1）、桥面系（2）、刚性竖联（3）、柔性吊杆（4）和横撑（5）组成；在桥面系（2）的1/4 、l/2及3/4处分别设置一对刚性竖联（3），桥面系（2）的其余位置则均匀布置柔性吊杆（4）；所述的刚性竖联（3）的上端与拱肋（1）连接、下端与桥面系（2）连接；所述的刚性竖联（3）与桥面系（2）、横撑（5）形成刚性箍。

2.根据权利要求1所述的带箍拱桥，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所述的带箍拱桥，其特征在于：根据桥面系（2）设置位置不同，分为中承式带箍拱桥、下承式带箍拱桥。

4.根据权利要求1所述的带箍拱桥，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；所述的刚性竖联（2）为钢结构。