CN108842596A - 混合吊杆拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合吊杆拱桥，主要由拱肋、主梁、柔性吊杆和拱肋横撑组成；所述的柔性吊杆布置在拱肋和主梁之间；其中：在拱肋和主梁之间还设有若干根刚性斜杆，并且相邻之间的刚性斜杆的端部依次相连，形成以拱肋、主梁中心点连线为对称轴进行对称排布的若干个三角形结构；所述的刚性斜杆的顶部将拱肋进行均分，通过三角形结构的角点对拱肋均匀约束，提高拱肋的线刚度；底部则落在原结构主梁位移包络图的最大位移处及跨中位置处，使主梁的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提高。本发明的混合吊杆拱桥的强度承载力、动力特性、稳定性较传统拱桥亦有较大提高，还可消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应，对高速铁路桥特别适用。

Description

混合吊杆拱桥

技术领域

本发明属于一种拱桥体系，具体涉及了一种混合吊杆拱桥。

背景技术

拱是人类在结构领域最早和最伟大的发明，从早期的砖，到18世纪的铁、钢和混凝土， 最早应用于桥梁结构之中时，都是先用于拱桥。拱桥在我国的应用有着悠久的历史，取得过 辉煌的成就。建于公元605年左右的赵州石拱桥，跨径达37.4m，采用了空腹式圆弧拱,彪 炳于世界技术发展桥梁史。解放后，我国的拱桥技术不断创新，不断进步，继续保持着世界 先进水平，现如今，拱桥不仅在公路上应用十分广泛，而且是高速铁路桥梁中最为常用的桥 型。

拱桥的主要受力特点是，在竖向荷载作用下，两端支承处除有竖向反力外，还产生水平 推力，而正是由于这个水平推力的存在，使得拱内产生轴向压力，并大大减小了跨中弯矩， 使它的主拱截面主要承受轴向压力，同时截面上的应力分布比受弯梁更加均匀，使主拱截面 的材料强度得到充分发挥，跨越能力增大。

拱桥的形式多种多样，构造各有差异，可以按照不同的方式来进行分类。例如：按照主 拱圈(肋、箱)所使用的建筑材料可以分为圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥及 钢拱桥等；按照结构体系可以分为简单体系拱桥与组合体系拱桥；按照拱上建筑的形式可以 分为实腹式拱桥和空腹式拱桥；按照拱轴线的形式可以分为圆弧拱桥、抛物线拱桥和悬链线 拱桥等；按照矢跨比的大小可以分为陡拱(f/L≥1/5)、坦拱(f/L＜1/5)；按照桥面的位置 可以分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥；按照拱圈截面形式可以分为板拱、肋拱、 双曲拱和箱型拱等；按照有无水平推力可以分为有推力拱桥和无推力拱桥等。

拱桥在受力性能方面具有极大优越性，且景观性好，目前已成为我国最常用的一种桥梁 型式，在公路、铁路线上，一座座气势如虹的拱桥成为跨越江河和峡谷的彩带，为我国经济 的建设和发展发挥了巨大的作用。中国当代已建和在建的各类拱桥已取得了举世瞩目的成就， 在公路桥方面，如目前世界上跨度最大的拱桥是重庆朝天门长江大桥，跨径达552米；在公 铁两用桥方面，如目前世界上最大跨径的公铁两用刚性梁柔性拱桥是天生港航道桥，主跨达 336米；在高速铁路桥方面，大胜关长江大桥代表了中国当前桥梁建造的最高水平，被誉为 “世界铁路桥之最”，是世界首座六线铁路大桥。双跨连拱为世界同类级别高速铁路大桥中跨 度最大，是目前世界上设计荷载最大的高速铁路大桥。

我国已修建了大量的拱桥，目前仍处于大规模的基础设施建设时期，拱桥的应用仍有着 广阔的前景。拱桥的技术创新是必要的，也是有潜力和大有可为的。当下我国高速铁路建设 正处在蓬勃发展期，高速铁路桥梁的跨径越来越大、桥宽越来越宽，为满足铁路高速行车的 要求，在拱桥的设计中，需着重关注结构体系的选择和刚度、变形的问题。随着列车速度越 来越快，拱桥的结构刚度已越来越不能满足高铁安全舒适运行的要求，如何使该体系桥梁获 得更大的刚度以提高高铁速度和行车舒适性已成为近年来学者们研究的重要课题。面临21世 纪的桥梁发展要求，拱桥仍需应对诸多技术挑战，为了使拱桥在激烈竞争中继续保持优势并 获得长足发展，广大桥梁工作者还需以坚韧不拔的意志为之奋斗。

发明内容

本发明的目的在于解决现有拱桥存在的突出问题，提出一种新的拱桥---混合吊杆拱桥。 本发明的混合吊杆拱桥完全保留了传统拱桥的优点，在增加材料不多的情况下，可使结构整 体刚度大幅度提高，此外，其强度承载力、动力特性、稳定性较传统拱桥亦有较大提高。混 合吊杆拱桥具有良好刚度特性的同时亦有很好的景观效果。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种混合吊杆拱桥，主要由拱肋、主梁、柔性吊杆和拱肋横撑组成；所述的柔性吊杆布 置在拱肋和主梁之间；其中：在拱肋和主梁之间还设有若干根刚性斜杆，并且相邻之间的刚 性斜杆的端部依次相连，即：从左往右计数，第一根刚性斜杆的顶部与拱肋相连接，第一根 刚性斜杆的底部与第二根刚性斜杆的底部固连后和主梁相连接，第二根刚性斜杆的顶部与第 三根刚性斜杆的顶部固连后和拱肋相连接，第三根刚性斜杆的底部与第四根刚性斜杆的底部 固连后和主梁相连接，直至最后一根刚性斜杆的顶部与拱肋相连接，形成以拱肋、主梁中心 点连线为对称线进行对称排布的若干个三角形结构；所述的刚性斜杆的顶部将拱肋进行均分， 通过三角形结构的角点对拱肋均匀约束，提高拱肋的线刚度，刚性斜杆的底部则落在原结构 主梁位移包络图的最大位移处及跨中位置处，使主梁的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提高。 该方法使结构的整体刚度大幅度提高，此外，其强度承载力、动力特性、稳定性较传统拱桥 亦有较大提高。在本发明中作用于主梁上的荷载遵循以下传力路径：主梁→柔性吊杆/刚性斜 杆→拱肋→基础。

作为本发明的的进一步说明，当混合吊杆拱桥的主跨在300～600米时，在主梁的两侧均 分别设有10根刚性斜杆，并且第一根刚性斜杆、第十根刚性斜杆的顶部分别固结在拱肋的 1/7、6/7处。第二、三根刚性斜杆的顶部在拱肋的2/7处，第四、五根刚性斜杆的顶部在拱 肋的3/7处，第六、七根刚性斜杆的顶部在拱肋的4/7处，第八、九根刚性斜杆的顶部在拱 肋的5/7处。这十根刚性斜杆和拱肋(或者主梁)节段形成了11个三角形结构，通过三角形 角点对拱肋均匀约束，提高拱肋的线刚度，同时保证有刚性斜杆的底部落在原结构主梁位移 包络图的最大位移处及跨中位置处，使主梁的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提高。

作为本发明的的进一步说明，在两两刚性斜杆之间还设有横联。所述的横联的形状为一 字型、横置K型或者米字型。所述的横联采用钢结构。刚性斜杆在需要时可考虑在相邻两杆 间加设横联，主要是在三角形结构的腰边通过横联连接可以提高其线刚度。

作为本发明的的进一步说明，所述的拱肋采用钢结构或者钢混组合结构；所述的刚性斜 杆采用钢结构。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。在拱 肋和主梁之间的柔性吊杆可全部由刚性吊杆替代。

在本发明中柔性吊杆(或者刚性吊杆)的布置方式与其在传统拱桥的布置方法相同；拱 肋可根据实际需要在拱脚处包混凝土。

本发明的优点：

1.强度承载力高。活载作用下结构变形很小，故其应力水平较低。

2.结构刚度大。在每条拱肋和主梁之间增加10根刚性斜杆与拱肋及主梁节段形成11个 三角形结构，利用三角形角点对拱肋均匀约束以提高拱肋的线刚度；保证有约束点落在原结 构主梁位移包络图的最大位移处及跨中位置处，使主梁的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提 高。因此结构的整体刚度大幅度提高。

3.稳定性提高显著。本发明的混合吊杆拱桥的面内及面外稳定性均有提高，面内稳定性 的改善尤为显著。

4.动力特性改善效果明显。本发明的混合吊杆拱桥动力特性改善效果明显，可保证高速 行车及行车舒适性。

5.本发明的混合吊杆拱桥矢跨比可尽量做小。可大大减小矢高，从而降低施工难度，同 时又有利于结构抗震。

6.本发明的混合吊杆拱桥可消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。

附图说明

图1是本发明中混合吊杆拱桥的布置形式。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是拱轴线与压力线的关系示意图。

图4是拱轴线的偏移量示意图。

图5是拱肋在恒载作用下的受力示意图。

图6是拱肋在恒载作用下的位移图。

图7是主梁在移动荷载作用下的位移包络图。

图8是非保向力系对拱稳定的影响的示意图。

图9是拱肋横向变形示意图。

图10是主梁横向变形示意图。

图11是拱桥受半跨荷载作用下的受力示意图。

图12是拱桥受半跨荷载作用下的“跷跷板”效应示意图。

图13是本发明受半跨荷载作用时对刚性斜杆的分析示意图。

图14是本发明受半跨荷载作用时的变形示意图。

附图标记：1-拱肋，2-主梁，3-刚性斜杆，4-柔性吊杆，5-拱肋横撑。

具体实施方式

现结合图1-图14，对本发明的力学原理及其结构进行说明：

1.混合吊杆拱桥的成桥说明

按普通柔性吊杆拱桥成桥后(包括二期恒载)，再安装刚性斜杆以完成体系转换，从而最 大限度地保留了拱肋在恒载状态下的优点，且并未增加施工难度。

2.引进三角形理念对拱肋及主梁进行有效约束

2.1拱肋弯矩图分析

拱桥的主要优点在于采用拱轴线来减小弯矩，使其成为小偏心受压的结构。其受力特征 为：拱顶受正弯矩作用，拱脚受负弯矩作用，1/4和3/4处为反弯点，一般情况下，拱轴线 采用悬链线时，其与三铰拱结构自重压力线之间的关系如图3所示。根据“五点重合法”可 确定m值，由拱顶弯矩为零及结构自重的对称条件知，拱顶仅有通过截面重心的结构自重推 力H_g，相应弯矩M_d＝0，剪力Q_d＝0。

在图3中，由∑M_A＝0，得

由∑M_B＝0，得

H_gy_1/4-∑M_1/4＝0

将式(1-1)之H_g代入上式，可得

式中：∑M_j——半拱结构自重对拱脚截面的弯矩；

∑M_l/4——拱顶至拱跨l/4点区域的结构自重对l/4截面的弯矩。

等截面悬链线拱主拱圈结构自重对l/4及拱脚截面的弯矩M_l/4、M_j可由《拱桥》表(Ⅲ)-19 查得。求得之后，可由下式反求m，即：

空腹式拱桥的m值，仍按逐次逼近法确定。即先假定一个m值，定出拱轴线，作图布置 拱上建筑，然后计算拱圈和拱上建筑的结构自重对l/4和拱脚截面的力矩∑M_l/4和∑M_j，根据式(1-2)求出然后利用式(1-3)算出m值，如与假定的m值不符，则应以求得 的m值作为新假定值，重新计算，直至二者接近为止。应当注意，用上述方法确定空腹拱的 拱轴线，仅与其三铰拱结构自重压力线保持五点重合，其他截面，拱轴线与三铰拱结构自重 压力线都有不同程度的偏离。计算证明，从拱顶到l/4点，一般压力线在拱轴线之上；而从l/4点到拱脚，压力线则大多在拱轴线之下。拱轴线与相应三铰拱结构自重压力线的偏离类似于 一个正弦波(图4)。

由力学知识得到，压力线与拱轴线的偏离会在拱中产生附加内力。对于静定三铰拱，各 截面的偏离弯矩值M_p可以三铰拱压力线与拱轴线在该截面的偏离值Δy表示(M_p＝H_g×Δy)； 对于无铰拱，偏离弯矩的大小，不能以三铰拱压力线与拱轴线的偏离值表示，而应以该偏离 值M_p作为荷载，算出无铰拱的偏离弯矩值。由结构力学知，荷载作用在基本结构上引起弹 性中心的赘余力为

式中：

M_p——三铰拱结构自重压力线偏离拱轴线所产生的弯矩，M_p＝H_g×Δy；

Δy——三铰拱结构自重压力线与拱轴线的偏离值[如图(4)所示]。

由图(4)可见，Δy有正有负，沿全拱积分的数值不大，由式(1-4)知，ΔX₁数值较 小。若则ΔX₁＝0。由计算得知，由式(1-5)决定的ΔX₂恒为正值(压力)。任意 截面之偏离弯矩(图4)为

ΔM＝ΔX₁-ΔX₂×y+M_p (1-6) 式中：y——以弹性中心为原点(向上为正)的拱轴纵坐标。

对于拱顶、拱脚截面，M_p＝0，偏离弯矩为

式中：y_s——弹性中心至拱顶之距离。

空腹式无铰拱桥，采用“五点重合法”确定的拱轴线，与相应三铰拱的结构自重压力线 在拱顶、两l/4和两拱脚五点重合，而与无铰拱的结构自重压力线(简称结构自重压力线)实 际上并不存在五点重合的关系。由式(1-7)可见，由于拱轴线与结构自重压力线有偏离，在 拱顶、拱脚都产生了偏离弯矩。研究证明，拱顶的偏离弯矩ΔM_d为负，而拱脚的偏离弯矩ΔM_j为正，恰好与这两截面控制弯矩的符号相反。这一事实说明，在空腹式拱桥中，用“五点重 合法”确定的拱轴线拱轴，偏离弯矩对拱顶、拱脚都是有利的。因而，空腹式无铰拱的拱轴 线，用拱轴线比用结构自重压力线更加合理。由以上分析可知，由于A、C处弯矩的作用，可 使拱轴线向压力线靠拢。

2.2拱肋变形分析

拱肋在恒载作用下的受力示意图及位移图分别如图5、6所示，其最大变形位置发生在C (即L/2)处，可见，在恒载作用下，拱肋的薄弱位置在拱顶处。

2.3主梁变形分析

主梁在移动荷载作用下的位移包络图如图7所示，其最大变形发生在B(即L/4)附近处。 可见，在移动荷载作用下，主梁的薄弱位置在L/4附近、3L/4附近处。

2.4三角形角点的合理布置

结合以上对拱肋和主梁受力及变形特征的分析，三角形角点布置的方法是：首先，通过 三角形角点对拱肋进行均匀约束，提高拱肋的线刚度；其次，保证有约束点落在主梁位移包 络图的最大位移处及跨中位置处，使主梁的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提高。

综上所述，本发明充分利用了三角形稳定性原理，在拱肋和主梁之间增加10根刚性斜杆 与拱肋及主梁节段形成11个三角形，通过稳定性极好的三角形对拱肋及主梁进行约束，同时 提高拱肋及主梁的线刚度。本发明的拱肋与主梁得到更好的相互约束，整体刚度大幅度提高， 且完全保留了拱肋在恒载状态下的受力特征。

3.三角形腰边的线刚度

为了提高三角形腰边的线刚度，可考虑在各临近刚性斜杆之间设置横联，从而保证构件 的局部稳定性。

4.新增构件非保向力正效应分析

由以上分析可知，混合吊杆拱桥的刚性斜杆在为拱肋与主梁提供更好相互约束的同时， 还可有效提高拱肋稳定性。提高面内稳定性是显而易见的，对面外稳定性的影响分析如下：

与传统柔性吊杆拱桥类似，刚性斜杆及吊杆的工作状态对本文拱桥稳定性的影响不容忽 视。对于本发明，当拱肋发生横向失稳时(图8)，刚性斜杆受到主梁施加的水平约束而变成 侧向倾斜，产生的水平分力有减缓拱肋发生侧向失稳的趋势，此时非保向力效应是正面的。 拱肋侧倾后，吊杆及刚性斜杆发生倾斜，如图9、图10所示，其拉力T对主梁产生了向外的 水平分力，使之发生侧向弯曲变形u_b(x)，而对拱肋产生了向内的水平分力H(x)：

其中，

考虑到主梁面外刚度(EI_by)远大于拱肋，故近似取EI_by＝∞，则u_b接近为0，式(2-2)可简化成：

而本文拱桥增设了若干根刚性斜杆，非保向力作用更加明显，从而侧向稳定性亦有所提高。

5.新增构件消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应分析

传统拱桥拱肋与主梁之间仅靠柔性吊杆连接，在受半跨荷载作用时(如图11所示)其“跷 跷板”变形(如图12所示)十分明显，受半跨荷载作用的一侧拱肋与主梁均发生向下变形， 而另一侧两者却发生向上变形，这对高铁行车极为不利。

本发明在拱肋和主梁间设置刚性斜杆，其在减小拱桥受半跨荷载作用时的“跷跷板”效 应分析如下：

传统拱桥拱肋在受活载作用时的位移包络图与主梁相似(如图7所示)，呈“W”型，即 从支座到跨中，变形先增大后减小。加设刚性斜杆后，在受半跨荷载作用时其分析示意图如 图13所示。由图7包络图可知，主梁与拱肋在1/4跨和3/4跨附近竖向位移最大，而在不同 跨度处两者存在刚度差，故由图13可知，远离中跨的A处竖向位移△1大于跨中B处竖向位 移△2，此时连接A、B两点的1#刚性斜杆有向下的位移趋势，而由于连接B、C两点的2#刚性斜杆的约束作用，根据变形协调原理，2#刚性斜杆的位移趋势也向下，因此与其相连的未受半跨荷载作用下的一侧拱肋与主梁的位移趋势将向下而不会像传统拱桥发生上翘现象。由 此可知，在非对称荷载作用下，刚性斜杆能发挥积极的正效应，使拱肋与主梁能可以更好地 协同工作，从而消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。

6.混合吊杆拱桥整体协作原理

拱肋是小偏心受压构件，相对于同跨度的梁而言，有更高的竖向刚度，混合吊杆拱桥的 主梁由于吊杆及刚性斜杆的共同作用而成为受多点弹性约束的连续梁，其竖向刚度变大而能 与拱肋协同工作，通过刚性斜杆连接在一起，从而形成一个刚度大的结构，进而使结构的整 体性更好。

下面结合图1、2和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。

实施例：

本实施例的混合吊杆拱桥的跨度布置(主跨550m)均与卢浦大桥(总投资25亿)相同。 具体为：一种混合吊杆拱桥，主要由拱肋1、主梁2、柔性吊杆4和拱肋横撑5组成；所述的柔性吊杆4布置在拱肋1和主梁2之间；其中：在拱肋1和主梁2之间还设有若干根刚性斜 杆3，并且相邻之间的刚性斜杆的端部依次相连，即：从左往右计数，第一根刚性斜杆的顶 部与拱肋1相连接，第一根刚性斜杆的底部与第二根刚性斜杆的底部固连后和主梁2相连接，第二根刚性斜杆的顶部与第三根刚性斜杆的顶部固连后和拱肋1相连接，第三根刚性斜杆的 底部与第四根刚性斜杆的底部固连后和主梁2相连接，直至最后一根刚性斜杆的顶部与拱肋 1相连接，形成以拱肋、主梁中心点连线为对称轴进行对称排布的若干个三角形结构；所述 的刚性斜杆的顶部将拱肋进行均分，通过三角形结构的角点对拱肋1均匀约束，提高拱肋1 的线刚度；刚性斜杆3的底部则落在原结构主梁2位移包络图的最大位移处及跨中位置处， 使主梁2的薄弱处得到加强，主梁2的线刚度亦得到提高。

如图1、2所示，采用上述的结构形式，主拱矢跨比为1/5.5，在主梁的两侧均分别增设 10根刚性斜杆(第一根刚性斜杆、第十根刚性斜杆的顶部分别固结在拱肋的1/7、6/7处，第二、三根刚性斜杆的顶部在拱肋的2/7处，第四、五根刚性斜杆的顶部在拱肋的3/7处， 第六、七根刚性斜杆的顶部在拱肋的4/7处，第八、九根刚性斜杆的顶部在拱肋的5/7处)。 与卢浦大桥相比：本方案在主梁两侧分别增加了10根刚性斜杆，因此材料用量增加5％，但 拱肋应力较卢浦大桥低，刚度显著提高，动力特性和稳定性好，故结构整体用料有所减少。 因此，与卢浦大桥相比，混合吊杆拱桥约节省5％的费用。具体数据如下：混合吊杆拱桥拱肋最大应力降低3％，刚度提高51％，稳定性提高了66％，首次发生面内振动的频率提高了50％。

实施例技术参数对比表

Claims (8)

1.一种混合吊杆拱桥，主要由拱肋（1）、主梁（2）、柔性吊杆（4）和拱肋横撑（5）组成；所述的柔性吊杆（4）布置在拱肋（1）和主梁（2）之间；其特征在于：在拱肋（1）和主梁（2）之间还设有若干根刚性斜杆（3），并且相邻之间的刚性斜杆（3）的端部依次相连，即：从左往右计数，第一根刚性斜杆（3）的顶部与拱肋（1）相连接，第一根刚性斜杆（3）的底部与第二根刚性斜杆（3）的底部固连后和主梁（2）相连接，第二根刚性斜杆（3）的顶部与第三根刚性斜杆（3）的顶部固连后和拱肋（1）相连接，第三根刚性斜杆（3）的底部与第四根刚性斜杆（3）的底部固连后和主梁（2）相连接，直至最后一根刚性斜杆（3）的顶部与拱肋（1）相连接，形成以拱肋（1）、主梁（2）中心点连线为对称轴进行对称排布的若干个三角形结构；所述的刚性斜杆（3）的顶部将拱肋（1）进行均分，通过三角形结构的角点对拱肋（1）均匀约束，提高拱肋（1）的线刚度；刚性斜杆（3）的底部则落在原结构主梁（2）位移包络图的最大位移处及跨中位置处，使主梁（2）的薄弱处得到加强，主梁（2）的线刚度亦得到提高。

2.根据权利要求1所述的混合吊杆拱桥，其特征在于：当混合吊杆拱桥的主跨在300～600米时，在主梁（2）的两侧均分别设有10根刚性斜杆（3），并且第一根刚性斜杆（3）、第十根刚性斜杆（3）的顶部分别固结在拱肋（1）的1/7、6/7处。

3.根据权利要求1或2所述的混合吊杆拱桥，其特征在于：在两两刚性斜杆（3）之间还设有横联。

4.根据权利要求3所述的混合吊杆拱桥，其特征在于：所述的横联的形状为一字型、横置K型或者米字型。

5.根据权利要求1或2所述的混合吊杆拱桥，其特征在于：所述的拱肋（1）采用钢结构或者钢混组合结构；所述的刚性斜杆（3）采用钢结构。

6.根据权利要求3所述的混合吊杆拱桥，其特征在于：所述的横联采用钢结构。

7.根据权利要求1或2所述的混合吊杆拱桥，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。

8.根据权利要求1或2所述的混合吊杆拱桥，其特征在于：在拱肋（1）和主梁（2）之间的柔性吊杆（4）可全部由刚性吊杆替代。