CN110747725B - 一种平面自平衡斜跨拱结构体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面自平衡斜跨拱结构体系及其施工方法，平面自平衡斜跨拱结构体系包括主梁、拱肋和两组斜拉索，两组斜拉索分别组设于拱肋的两侧，且斜拉索的顶端与拱肋相连，底端锚固于主梁上，该斜跨拱桥还包括两组拉杆组件，两组拉杆组件分别组设于拱肋的两端，拉杆组件包括至少一个拉杆，拉杆水平设置，只传递轴向拉力，且各拉杆的轴线垂直于主梁的中心线。拉杆自身轴力的反作用力分别为对主梁和拱肋产生拉力，斜拉索索力沿垂直于拱肋的轴线方向上的水平分力由拉杆拉力平衡，斜拉索索力沿平行于主梁中心线方向上的水平分力产生的平面扭矩由拉杆对主梁拉力产生的扭矩平衡。拱梁拉杆三者形成自平衡体系，拉杆轴力成为该体系内力。

Description

一种平面自平衡斜跨拱结构体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构技术领域，具体涉及一种平面自平衡斜跨拱结构体系及其施工方法。

背景技术

近些年来，城市桥梁的建设越来越追求整体建筑的景观效果。斜跨拱桥作为一种相对新颖的桥型，因具有相对简洁的造型，相对经济的造价以及较低的施工难度，越来越多的出现在工程结构的可选方案中。

参见图1所示，斜跨拱桥包括主梁1、拱肋2和两扇面的斜拉索3，主梁1的两端简支于主梁基础4上；拱肋2从主梁1的一端斜跨至主梁1的另一端，且两端固结于拱肋基础5之上；而且拱肋2以主梁1的中心线10为界分为左拱肋20和右拱肋21，拱肋2的轴线22与主梁1的中心线10成一定夹角，左扇面的斜拉索3的顶端锚固于左拱肋20上，底端锚固于主梁1的左侧；右扇面的斜拉索3的顶端锚固于右拱肋21上，底端锚固于主梁1的右侧；由于斜跨拱桥造型上的特殊性，在恒活载所用下，斜拉索3在竖向荷载作用下沿平行于主梁1的中心线的方向上产生的水平分力F1对主梁1而言不是一对平衡力，产生的水平扭矩会使得主梁1发生水平面刚体旋转；同时斜拉索3在竖向荷载作用下沿垂直于拱肋2的轴线22方向上对拱肋2产生的水平分力F2会使得拱肋2产生平面横向弯曲，拱肋基础5承担较大的水平分力F2，而且拱肋2的拱脚存在很大的横向弯矩。

如图2所示，对拱肋2进行单独的平面受力状态分析，斜拉索3在竖向荷载作用下沿垂直于拱肋2的轴线22方向上的水平分力F2为一对作用在拱肋2上的顺时针方向的力，使得拱肋2呈现S形弯曲变形，且该水平分力F2最终传至拱肋基础5，由拱肋基础5对拱脚产生的水平反力所平衡，从而使得拱脚受到较大的横向水平弯矩，且拱肋基础5承担较大的水平分力F2。目前对于拱脚存在的横向弯矩，一般通过在拱脚设置大量的剪力钉和设置预应力等手段去平衡，但是最终拱肋2受到的水平分力F2仍需拱肋基础5承担。

参见图3所示，对主梁1进行平面受力状态分析，斜拉索3在竖向荷载作用下沿平行于主梁1的中心线的方向上产生的水平分力F1不是一对平衡力，产生的水平扭矩使得主梁1有逆时针转动的趋势。因此为保持主梁1自身的平衡，需要对主梁基础4设置横向挡块，为主梁1提供横向约束，来平衡斜拉索3产生的水平扭矩。但是最终约束横向挡块的反力仍然需要主梁基础4来承担。

上述方案为了抵消水平分力F1和F2，主梁基础4和拱肋基础5分别需要承担大量的水平分力F1和F2，导致主梁基础4和拱肋基础5的造价显著提升，同时拱脚施工需要在钢筋骨架中安装大量的预应力筋及剪力钉，显著加大了施工难度和风险。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种平面自平衡斜跨拱结构体系及其施工方法，斜拉索在竖向荷载作用下沿垂直于拱肋的轴线方向上的水平分力，以及沿平行于主梁的中心线的方向上产生的水平分力由拉杆平衡，大大减轻了主梁基础、拱肋基础和拱脚的受力。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种平面自平衡斜跨拱结构体系，其包括主梁、拱肋和两组斜拉索，两组所述斜拉索分别组设于所述拱肋的两侧，且所述斜拉索的顶端与所述拱肋相连，底端锚固于所述主梁上，该平面自平衡斜跨拱结构体系还包括两组拉杆组件，两组所述拉杆组件分别组设于拱肋的两端，所述拉杆组件包括至少一个拉杆，所述拉杆的两端分别与所述拱肋和主梁连接，所述拉杆水平设置，且各所述拉杆的轴线垂直于所述主梁的中心线。

在上述技术方案的基础上，各所述拉杆位于同一水平面内。

在上述技术方案的基础上，各所述拉杆位于所述主梁的质心所在的水平面内。

在上述技术方案的基础上，所述拉杆采用刚性材料制成，且所述拉杆的两端分别与所述拱肋和主梁铰接。

在上述技术方案的基础上，所述拉杆采用柔性材料制成，且所述拉杆的两端分别与所述拱肋和主梁固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述拉杆的一端通过第一隔板与所述拱肋可拆卸相连，另一端通过第二隔板与所述主梁可拆卸相连。

在上述技术方案的基础上，所述第一隔板设于所述拱肋的内部，且垂直于所述拱肋的轴线。

在上述技术方案的基础上，所述第二隔板设于所述主梁的内部，且垂直于所述主梁的中心线。

在上述技术方案的基础上，所述第一隔板上设有多个第一锚箱，所述第二隔板上设有多个第二锚箱；所述拉杆的两端分别锚固于所述第一隔板上的第一锚箱上，和所述第二隔板上的第二锚箱上。

本发明还提供一种上述所述的平面自平衡斜跨拱结构体系的施工方法，其包括以下步骤：

完成所述主梁和所述拱肋的施工；

将所述拉杆的两端分别与所述主梁和所述拱肋相连；

安装所述斜拉索，并张拉所述斜拉索。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的平面自平衡斜跨拱结构体系通过设置拉杆能部分抵消或完全抵消斜拉索在竖向荷载作用下沿垂直拱肋的轴线对拱肋产生的分力F2，不仅大大降低了拱脚处的横向弯矩，而且传递给拱肋基础的横向水平力被大大削弱，拱肋基础的造价降低，节约成本；以及完全抵消斜拉索在竖向荷载作用下沿平行于主梁的中心线的方向上的水平分力F1对主梁所产生的扭矩，不仅避免了主梁的旋转趋势，而且F1就不会再传递到主梁基础，主梁基础的造价降低，节约成本。

附图说明

图1为背景技术中的斜跨拱桥变形后的结构示意图；

图2为背景技术中的斜跨拱桥的拱肋的变形后的示意图；

图3为背景技术中的斜跨拱桥的主梁的变形后的示意图；

图4本发明实施例中的斜跨拱桥变形前的结构示意图；

图5为图4中的A-A方向视图；

图6为图5中的B-B方向视图；

图7为本发明实施例中斜跨拱桥变形后的结构示意图；

图8为本发明实施例中斜跨拱桥的拱肋变形后的结构示意图；

图9为本发明实施例中斜跨拱桥的主梁变形后的结构示意图；

图10为本发明的拉杆倾斜向下设置时主梁的受力状态的示意图；

图11为本发明的拉杆不垂直主梁的中心线时主梁的受力状态的示意图；

图12为本发明的拉杆不在同一水平面内时主梁的受力状态的示意图；

图13为本发明的拉杆不在主梁的质心所在的水平面内时主梁的受力状态的示意图。

图中：1-主梁，10-中心线，11-质心，2-拱肋，20-左拱肋，21-右拱肋，22-轴线，3-斜拉索，4-主梁基础，5-拱肋基础，6-拉杆，7-第一隔板，8-第二隔板。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图4-6所示，本发明实施例提供一种平面自平衡斜跨拱结构体系，其包括主梁1、拱肋2和两组斜拉索3，主梁1的两端简支于主梁基础4上，拱肋2沿纵桥向从主梁1的一端斜跨至主梁1的另一端，且拱肋2的两端固结于拱肋基础5之上；而且拱肋2以主梁1的中心线10所在的垂直面为界分为左拱肋20和右拱肋21，拱肋2的轴线22与主梁1的中心线10成一定夹角，并形成斜跨拱桥的结构。两组斜拉索3分别组设于拱肋2的两侧，左扇面的斜拉索3的顶端锚固于左拱肋20上，底端锚固于主梁1的左侧；右扇面的斜拉索3的顶端锚固于右拱肋21上，底端锚固于主梁1的右侧。该平面自平衡斜跨拱结构体系还包括两组拉杆组件，两组拉杆组件分别组设于拱肋2的两端，拉杆组件包括至少一个拉杆6，本发明实施例中拉杆组件包括一个拉杆6，拉杆6的两端分别与拱肋2和主梁1连接；参见图8所示，对拱肋2的受力状态进行分析，拉杆6水平设置，拉杆6水平设置，仅传递水平拉力，不传递其他方向的力和弯矩，拉杆6对拱肋2产生的拉力F2＇沿垂直拱肋2的轴线22的分力，能部分抵消或完全抵消斜拉索3在竖向荷载作用下沿垂直拱肋2的轴线22对拱肋2产生的的分力F2；参见图9所示，对主梁1的受力状态进行分析，拉杆6对主梁1产生的水平方向拉力F1’所产生的扭矩，能抵消斜拉索3在竖向荷载作用下沿平行于主梁1的中心线的方向上的水平分力F1对主梁1所产生的平面扭矩，参见图10所示，当拉杆6倾斜向下设置，对主梁1的一侧产生的拉力是F1＇，将F1＇分解成水平方向的分力F11＇和竖直方向的分力F12＇，F11＇与主梁1另一侧的拉力F1＇对主梁1产生的弯矩可以抵消F1对主梁1产生的弯矩，而F12＇会使主梁1产生逆时针的旋转趋势，因此需要保证拉杆6水平设置。而且各拉杆6的轴线垂直于主梁1的中心线10，参见图11所示，当拉杆6的轴线不垂直于主梁1的中心线10，拉杆6对主梁1的拉力F1＇分解成平行于主梁1的中心线10方向的分力F12＇和垂直于主梁1的中心线10方向的分力F11＇，F12＇会加速主梁1逆时针旋转的趋势，并且使得主梁1产生有害的轴向附加应力，因此需要保证各拉杆6的轴线垂直于主梁1的中心线10。

根据上述分析，本发明实施例的斜跨拱桥通过设置拉杆6，其对拱肋2的拉力能部分抵消或完全抵消斜拉索3在竖向荷载作用下沿垂直拱肋2的轴线22对拱肋2产生的分力F2，不仅大大降低了拱脚处的横向弯矩，而且传递给拱肋基础5的力被大大削弱，拱肋基础5的造价降低，节约成本，那么拱脚为平衡横向弯矩而张拉的预应力钢束也因此能适当减少甚至完全取消；其对主梁1的拉力所产生的扭矩能完全抵消斜拉索3在竖向荷载作用下沿平行于主梁1的中心线的方向上的水平分力F1对主梁1所产生的扭矩，不仅避免了主梁1的旋转趋势，而且F1就不会再传递到主梁基础4，主梁基础4的造价降低，节约成本。

进一步的，各拉杆6位于同一水平面内。参见图12所示，若本发明实施例中的两个拉杆6不同一水平面内，那么两个拉杆6对主梁1产生的拉力F1＇会产生额外的弯矩导致主梁1产生横断面扭矩及扭转变形，使主梁1产生横断面扭矩及扭转变形。

更进一步的，各拉杆6位于主梁1的质心11所在的水平面内。参见图13所示，本发明实施例中的两个拉杆6与主梁1的质心11不在同一水平面，当两个拉杆6所在的水平面位于主梁1的质心11所在的水平面内的下方，两个拉杆6对主梁1产生的拉力F1＇会导致主梁1呈中间高、两边低的弯曲变形；当两个拉杆6所在的水平面位于主梁1的质心11所在的水平面内的上方，两个拉杆6对主梁1产生的拉力F1＇会导致主梁1呈中间低、两边高的弯曲变形。对主梁1产生有害的附加弯曲应力。

更进一步的，斜拉索3锚固在主梁1上的锚固点与主梁1的质心11尽量位于同一水平面内，这样斜拉索3在竖向荷载作用下沿平行于主梁1的中心线的方向上的水平分力F1与拉杆6对主梁1产生的拉力F1＇位于同一水平面内，这样F1和F1＇的产生以及F1＇对F1的抵消都在主梁1的质心11所在的水平面，整个抵消F1的过程中主梁1更稳定，不会产生旋转趋势。

优选的，当拉杆6采用刚性材料制成，例如钢材，拉杆6的两端分别与拱肋2和主梁1铰接；当拉杆6采用柔性材料制成，例如预应力拉索，拉杆6的两端分别与拱肋2和主梁1固定连接。使得拉杆6能够适应运用工况下主梁1和拱肋2之间的相对位移，拉杆6水平设置，仅传递水平拉力，不传递其他方向的力和弯矩。

参见4和图5所示，拉杆6的一端通过第一隔板7与拱肋2可拆卸相连，另一端通过第二隔板8与主梁1可拆卸相连。

参见图5所示，第一隔板7设于拱肋2的内部，且垂直于拱肋2的轴线22。

参见图4所示，第二隔板8设于主梁1的内部，且垂直于主梁1的中心线10。

第一隔板7和第二隔板8既可以作为拉杆6的定位装置，均匀有效的将拉杆6拉力传递给主梁1和拱肋2，避免主梁1和拱肋2局部被拉破坏。

优选的，第一隔板7上设有多个第一锚箱，第二隔板8上设有多个第二锚箱；拉杆6的两端分别锚固于第一隔板7和第二隔板8中的第一锚箱和第二锚箱上。这样可以方便更换拉杆6，也可以一次性设置多个拉杆6，且当拉杆6需要更换时，可利用其余第一隔板7和第二隔板8中的其他锚箱张拉临时拉杆，当拉杆6更换完毕后予以拆除。

本发明实施例还提供一种上述的平面自平衡斜跨拱结构体系的施工方法，其包括以下步骤：

浇筑拱肋基础5，并在拱肋基础5上安装拱肋2；

浇筑主梁基础4，并在主梁基础4上安装主梁1；

将拉杆6的两端分别与主梁1和拱肋2相连；

将斜拉索3的顶端与拱肋2连接，底端锚固在主梁1上，并张拉斜拉索3。

斜拉索3在竖向荷载作用下沿平行于主梁1的中心线的方向上的水平分力F1，被拉杆6对主梁1产生的拉力F1＇所抵消，不仅避免了主梁1的旋转趋势，而且F1就不会再传递到主梁基础4，主梁基础4的造价降低，节约成本；以及斜拉索3在竖向荷载作用下沿垂直拱肋2的轴线22对拱肋2产生的的分力F2，被拉杆6对拱肋2产生的拉力F2＇沿垂直拱肋2的轴线22的分力部分抵消，不仅避免了拱脚承受巨大横向弯矩，而且传递给拱肋基础5的力被大大削弱，拱肋基础5的造价降低，节约成本。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种平面自平衡斜跨拱结构体系，其包括主梁(1)、拱肋(2)和两组斜拉索(3)，两组所述斜拉索(3)分别组设于所述拱肋(2)的两侧，且所述斜拉索(3)的顶端与所述拱肋(2)相连，底端锚固于所述主梁(1)上，其特征在于，该平面自平衡斜跨拱结构体系还包括两组拉杆组件，两组所述拉杆组件分别组设于拱肋(2)的两端，所述拉杆组件包括至少一个拉杆(6)，所述拉杆(6)的两端分别与所述拱肋(2)和主梁(1)连接，所述拉杆(6)水平设置，且各所述拉杆(6)的轴线垂直于所述主梁(1)的中心线(10)。

2.如权利要求1所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，各所述拉杆(6)位于同一水平面内。

3.如权利要求2所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，各所述拉杆(6)位于所述主梁(1)的质心(11)所在的水平面内。

4.如权利要求1所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，所述拉杆(6)采用刚性材料制成，且所述拉杆(6)的两端分别与所述拱肋(2)和主梁(1)铰接。

5.如权利要求1所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，所述拉杆(6)采用柔性材料制成，且所述拉杆(6)的两端分别与所述拱肋(2)和主梁(1)固定连接。

6.如权利要求1所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，所述拉杆(6)的一端通过第一隔板(7)与所述拱肋(2)可拆卸相连，另一端通过第二隔板(8)与所述主梁(1)可拆卸相连。

7.如权利要求6所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，所述第一隔板(7)设于所述拱肋(2)的内部，且垂直于所述拱肋(2)的轴线(22)。

8.如权利要求6所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，所述第二隔板(8)设于所述主梁(1)的内部，且垂直于所述主梁(1)的中心线(10)。

9.如权利要求6所述的平面自平衡斜跨拱结构体系，其特征在于，所述第一隔板(7)上设有多个第一锚箱，所述第二隔板(8)上设有多个第二锚箱；所述拉杆(6)的两端分别锚固于所述第一隔板(7)上的第一锚箱上，和所述第二隔板(8)上的第二锚箱上。

10.一种如权利要求1所述的平面自平衡斜跨拱结构体系的施工方法，其特征在于，其包括以下步骤：

完成所述主梁(1)和所述拱肋(2)的施工；

将所述拉杆(6)的两端分别与所述主梁(1)和所述拱肋(2)相连；

安装所述斜拉索(3)，并张拉所述斜拉索(3)。

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