CN111074749A - 双桁双拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双桁双拱桥，主要由主拱（1）、副拱（2）、三角网（3）、斜腿（4）、主梁（5）、外包混凝土段（6）组成；副拱（2）架于主拱（1）和主梁（2）之间，并以斜腿（4）将其拱脚与主拱（1）拱脚相连；三角网（3）布于主梁（5）与副拱（2）、副拱（2）与主拱（1）之间；以副拱（2）为弦杆，可同时与主拱（1）和主梁（5）形成双桁双拱结构，从而使结构受力更加均匀，整体性更好；外包混凝土段（6）为刚臂域，其刚度远大于拱顶，可减小拱顶的变形和弯矩以及拱的计算跨度。本发明兼具拱结构及桁架结构的优点，其力学性能远优于现有拱桥体系，特别适用于重载及高速铁路的建设。

Description

双桁双拱桥

技术领域

本发明属于拱桥体系，具体涉及了一种双桁双拱桥。

背景技术

拱桥是最为古老的一种桥型，具有跨越能力大、造价经济、养护维修费用少、造型美观等特有的技术优势。早在古代，人类在拱桥修建上已达到很高的造诣，出现了形式多样的桥式，如中国的半圆拱、敞肩圆弧拱、厚墩厚拱和薄壁薄墩石拱桥等，许多技术在科技高度发达的现代仍有其生命力。

中国的拱桥技术更是从古至今处于世界领先水平。早在公元605年，采用支架施工法进行修建的赵州桥建成，创造了12项世界历史上的土木工程里程碑。1192年建成的卢沟桥，曾经通行了载重400吨的平板车。1968年，广西灵山县三里江桥建成，它是国内第一座修拱桥不搭拱架的桥，通行50年仍不需维修。晋城高速公路丹河大桥于2000年建成，全长413米，主跨146米，高81米，宽24.2米，为石拱桥世界之最，集实用性和艺术性于一体，载入吉尼斯世界纪录。2009年建成通车的朝天门大桥，主跨达552米，是世界上已建成的最大跨度的钢拱桥。2015年，沪昆高铁北盘江特大桥合龙，主跨445米，创造了世界钢筋混凝土拱桥最大跨度桥梁、中国铁路桥最大跨度桥梁两项纪录。如今，目前世界上跨度最大的铁路拱桥——大瑞铁路怒江四线特大桥、国内最大跨度的重载铁路拱桥——浩吉铁路洛河大桥、“世界第一拱桥”——平南三桥亦在按部就班地修建中，它们的建成将为我国的桥梁名片增添更为绚丽的一笔。

合理、耐久、极限、超越，是拱桥的突出特点，上述的代表性拱桥工程更是充分体现了 这几大特点，拱桥饱含中国文化，极具工程意义。拱桥刚度大、跨越能力强，可根据实际条 件因地制宜选取支架拼装、劲性骨架、斜拉扣挂、浮运、转体等施工方法，往往成为高速铁 路桥梁的首选桥型，我国高铁线上比较著名的拱桥有前述提到的大瑞铁路怒江四线特大桥、 沪昆高铁北盘江特大桥，以及南广铁路肇庆西江特大桥、京沪高铁南京大胜关长江大桥和武 广客运专线的东平水道特大桥等。高速铁路对安全性、平顺性和舒适性的要求均高于普通铁 路，因此桥梁比例大、长大桥梁多是高铁的一个重要特点。可以预见，拱桥仍将在我国的铁 路建设中发挥重要作用。

拱桥按照桥面系在上部结构立面中的位置可以分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥，其中，上承式拱桥的桥面系位于拱圈之上，桥面系与拱圈之间由拱上建筑进行连接，若拱上建筑为空腹式，则通常有两种结构形式：其一，梁式拱上建筑的上承式拱桥，由拱圈、立柱（平行布置）和主梁组成，是目前大跨上承式拱桥的常用形式；其二，传统上承式桁架拱，由拱圈、中间实腹段、边上桁架和主梁组成，亦有着不俗的跨越能力。从结构布置来看，前者的局部结构为四边形结构，后者则形成了中间弯梁加两边桁架构成的拱桥结构。从结构形式上看，第一种结构形式的立柱与主梁、拱圈构成了连续的四边形，其刚度较小，随着跨度及荷载的不断增加，很容易产生剪切和弯曲变形，从而导致力学性能快速下降。而第二种结构形式中桁架参与承担绝大部分恒载，拱的优势无法充分发挥，此外，虽然这种拱桥刚度较大，但多为钢筋混凝土结构或拱片桥，其自重很大且节点开裂问题突出，力学性能亦较差。中承式拱桥的拱圈由分离的拱肋组成，由横梁及支承于其上的桥面板等所构成的桥面系位于拱肋立面的中部，利用设在横梁处的吊杆将荷载传递到拱肋，桥面结构位于拱肋以上的部分则由立柱进行支撑。下承式拱桥的拱圈亦由分离的拱肋组成，桥面结构与中承式拱桥类似，但是其全部位于拱肋立面的底部且均由吊杆悬吊在拱肋下方。在中、下承式拱桥中，由于拱肋是小偏心受压构件，其刚度很大，主梁在吊杆的作用下是受多点弹性约束的连续梁，亦具有较大的刚度，但是传统拱桥的拱肋和主梁间仅通过柔性吊杆相连，上下不能连动，主梁的刚度未能充分发挥，因而结构较容易发生剪切和弯矩变形，导致结构的力学性能快速下降。

综上可知，传统的拱桥结构体系存在一定的合理性和优越性，但是，在地形地貌、水文 条件极为复杂的西部山区修建高速铁路已成为常态，而这些地区山高坡陡、峡谷众多，铁路 线穿越时很多情况下需要修建大跨度桥梁一跨而过，但是跨径增大后，拱桥在L/4跨处由列 车静活载所产生的上挠度亦会增加，威胁行车安全。此外，高速铁路桥梁一般以双线或四线 为主，桥梁宽跨比较小，拱肋作为压弯构件其稳定性会快速下降，加之列车荷载大、行驶速 度高，拱桥跨径增大后，其刚度和动力特性很难满足要求。因此，寻求有效途径提高拱桥体 系的力学性能对拱桥的长足发展有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对传统拱桥结构体系存在的突出问题，提出了一种双桁双拱桥。本 发明以三角网取代立柱或吊杆，在完全保留传统拱桥优势的同时，可大幅提高结构的强度承 载力、整体刚度、动力特性及稳定性。本发明从根本上改变传统拱桥结构体系的力学性能， 使结构兼具拱和桁架的优点，可促进拱桥继续向前发展，更好地服务于我国乃至世界的交通 行业，本发明从拱桥受力的优越性出发，通过改造其结构体系，使其力学性能得到大幅改善， 为拱桥跨径的进一步增大奠定了基础，更为提高其竞争力提供了保障。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种双桁双拱桥，主要由主拱、副拱、三角网、斜腿、主梁和外包混凝土段组成；所述的副拱架设于主拱和主梁之间，并以斜腿将其拱脚与主拱拱脚相连；所述的三角网布设于主梁与副拱、副拱与主拱之间；以副拱为弦杆，可同时与主拱和主梁形成双桁双拱结构；所述的外包混凝土段为刚臂域。在横桥向各相同构件间设横向联系（例如横向两拱肋之间设置横撑或者横联杆等）以保证稳定性。

本发明以三角网取代立柱或吊杆，在完全保留传统拱桥优势的同时，可大幅提高结构的强度承载力、整体刚度、动力特性及稳定性。在本发明中作用于主梁上的荷载遵循以下传力路径：主梁→副拱/三角网→主拱→基础。

本发明进一步说明，所述的外包混凝土段为普通混凝土结构或预应力混凝土结构。

本发明进一步说明，所述的双桁双拱桥的结构形式包括普通型上承式拱桥和整体型上承式拱桥。

本发明进一步说明，在横桥向上刚性斜杆之间也可设置斜杆横联。

本发明进一步说明，所述的主拱采用钢结构、混凝土结构、钢管混凝土结构或者劲性骨架混凝土结构。

本发明进一步说明，所述的主拱为内倾布置或者为平行布置。

本发明进一步说明，所述的副拱、三角网、斜腿可为钢结构或者钢筋混凝土组合结构。

本发明进一步说明，还应用于中承式拱桥及下承式拱桥。

本发明的优点：

1.结构强度承载力得到提高。本发明的副拱分担了一部分荷载，减小了主拱的应力；且外包混凝土段为刚臂域，其刚度远大于拱顶，可大大减小正弯矩峰值，故拱顶应力得到减小。

2.结构刚度得到提高。本发明的三角网提高了主梁和主拱的线刚度，且三角网的存在使整个结构变为桁架，可充分发挥桁架结构刚度大的优越性，因此整个结构的整体刚度大幅提高。

3.结构稳定性得到提高。三角网的存在使结构面内及面外稳定性均得到提高，尤其是面内稳定性。

4.结构动力特性得到改善。本发明的双桁双拱桥结构刚度大幅提高，故动力特性亦随之改善，可保证列车安全、高速、舒适行驶。

5.材料用量少，施工周期短，经济性好。本发明从根本上优化了拱桥结构体系，使其力学性能得到大大提高，故结构的材料用量得到减少，因此结构具有良好的经济性。

6.抗震性能好。双桁双拱桥结构自重轻，惯性力小，故其抗震性能好。

附图说明

图1是本发明上承式双桁双拱桥的结构布置图。

图2是本发明中承式双桁双拱桥的结构布置图。

图3是本发明下承式双桁双拱桥的结构布置图。

图4是利用三角网使易变形体系转变成稳定体系的示意图。

图5是带副拱的三角网示意图。

图6是双桁双拱桥体系示意图。

图7是双拱分担荷载示意图。

图8是拱桥拱脚区域受对称力作用时的变形示意图。

附图标记：1-主拱，2-副拱，3-三角网，4-斜腿，5-主梁，6-外包混凝土段。

具体实施方式

现结合图1～图8，以上承式双桁双拱桥为例，对本发明的力学原理及其结构进行说明：

1.用三角网取代平行立柱网，提高结构的刚度

传统拱桥立柱仅对主梁起到了多点弹性约束的作用，提高了其线刚度，而对拱肋的刚度没有贡献。将立柱改为三角网后，三角网与主梁、拱肋形成了连续的系列三角形。因三角形具有良好的稳定性，主梁及拱肋的线刚度均得到有效提高，从而提高了结构的整体刚度及局部刚度。

增设副拱，形成双桁双拱结构

如图5、图6、图7所示，为了减轻原拱中间区域所承受的荷载，在其上方设置副拱承担部分荷载，具体实施是，以三角网取代立柱网形成桁架结构，其中，三角网包含一条副拱（MN），其拱脚与新增的斜腿相接。主拱（AB）与副拱、副拱与主梁形成了两个桁架结构，从而形成一种新的拱桥结构体系——双桁双拱桥。

拱脚外包混凝土，提高结构的力学性能

如图8所示，当拱脚区域受力时（对称力），可在拱顶产生反向位移，从而减少拱顶区域的变形，如图所示。由于拱脚段的弯曲刚度比拱顶大得多，根据胡克定律，可达到弯矩调幅的效果，即增大了拱脚段的弯矩峰值，减小了拱顶的弯矩峰值；又由于拱脚段的截面刚度大幅度增大，故其应力变化不大，且有效的减少了结构的计算跨度。

下面结合图1和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。

实施例：

本实施例的双桁双拱桥的跨度布置（主跨为445m）与沪昆高铁北盘江特大桥（总投资约为4.5亿元）相同；具体为：如图1所示，一种双桁双拱桥，主要由主拱1、副拱2、三角网3、斜腿4、主梁5、外包混凝土段6组成；副拱2架于主拱1和主梁5之间，并以斜腿4将其拱脚与主拱1拱脚相连；三角网3布于主梁5与副拱2、副拱2与主拱1之间；横桥向各相同构件间设横向联系以保证稳定性。以副拱2为弦杆，可同时与主拱1和主梁5形成双桁双拱结构，从而使结构受力更加均匀，整体性更好；外包混凝土段6为刚臂域，其刚度远大于拱顶，可减小拱顶的变形和弯矩以及拱的计算跨度。具体比较方案如下：

与沪昆高铁北盘江特大桥相比，本方案钢材用量与原桥相当，但是混凝土用量减少30%，因而拱脚推力得到大大减小，基础的造价大幅降低，因此，与沪昆高铁北盘江特大桥相比，双桁双拱桥约可节省15%的费用。具体的力学性能对比数据如下：双桁双拱桥拱肋最大应力降低5%，刚度提高90%，稳定性提高15%，基频提高85%。

上承式双桁双拱桥实施例技术参数对比表

费用节省（%）	拱肋最大应力降低（%）	刚度提高（%）	稳定性提高（%）	基频提高（%）
					15	5	90	15	85

Claims (8)

1.一种双桁双拱桥，其特征在于：主要由主拱（1）、副拱（2）、三角网（3）、斜腿（4）、主梁（5）和外包混凝土段（6）组成；所述的副拱（2）架于主拱（1）和主梁（5）之间，并以斜腿（4）将副拱（2）的拱脚与主拱（1）的拱脚相连；所述的三角网（3）布设于主梁（5）与副拱（2）、副拱（2）与主拱（1）之间；以副拱（2）为弦杆，可同时与主拱（1）和主梁（5）形成双桁双拱结构；所述的外包混凝土段（6）为刚臂域。

2.根据权利要求1所述的双桁双拱桥，其特征在于：所述的外包混凝土段（6）为普通混凝土结构或预应力混凝土结构。

3.根据权利要求1所述的双桁双拱桥，其特征在于：所述的外包混凝土段（6）全截面外包，或者仅包拱圈截面中性轴至拱腹部分。

4.根据权利要求1所述的双桁双拱桥，其特征在于：所述的双桁双拱桥的结构形式包括普通型上承式拱桥和整体型上承式拱桥。

5.根据权利要求1所述的双桁双拱桥，其特征在于：所述的主拱（1）采用钢结构、混凝土结构、钢管混凝土结构或者劲性骨架混凝土结构。

6.根据权利要求1所述的双桁双拱桥，其特征在于：所述的主拱（1）为内倾布置或者为平行布置。

7.根据权利要求1所述的双桁双拱桥，其特征在于：所述的副拱（2）、三角网（3）、斜腿（4）为钢结构或者钢筋混凝土组合结构。

8.根据权利要求1～7任一所述的双桁双拱桥，其特征在于：还应用于中承式拱桥及下承式拱桥。

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