CN208121546U - 大桁拱桥 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大桁拱桥，主要由拱肋、主梁、竖腹杆、斜腹杆、柔性吊杆和横撑组成；所述的竖腹杆分别竖直设置在拱肋的1/4附近、1/2、3/4附近处；斜腹杆两端分别连接于中间竖腹杆底部和两边竖腹杆顶部；所述的拱肋、主梁、竖腹杆、斜腹杆构成一个以拱肋作为上弦杆、主梁作为下弦杆且带柔性吊杆的大桁架结构。本实用新型的大桁拱桥既不破坏拱结构的受力特征，又有桁架的特点，可使结构的刚度、稳定性、动力特性得到很大改善。因其矢跨比可以做得更小，可有效减小矢高，从而又降低施工难度。本实用新型具有良好的力学性能，可用于修建对刚度、动力性能要求高的桥梁，有极大的工程应用价值。

Description

大桁拱桥

技术领域

本实用新型属于一种拱桥体系，具体涉及了一种大桁拱桥。

背景技术

拱式结构体系作为一种古老的桥式，以其跨越能力大、可用地方材料、造价经济、养护维修费用少、造型美观等特有的技术优势而成为建筑历史最悠久、竞争力较强,并且常盛不衰,不断发展的桥梁结构体系。即使在现代,拱桥仍是我国已建或在建桥梁的主要桥型,其形式之多、建设地域之广,堪称世界之最。因此,对拱式结构体系的研究具有极大的现实意义。

拱是桥梁最基本的结构形式之一，拱式结构以受压为主，其主要承重结构是拱圈或拱肋。在竖向荷载作用下，两端将产生水平推力。正是这个水平推力，使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的截面弯矩，使之成为偏心受压构件，截面上的应力分布较受弯梁均匀。因此可充分利用主拱截面材料强度来增大跨越能力。

拱桥是所有桥梁体系中变化最多的结构，按拱轴线可分为圆弧拱、抛物线拱、悬链线拱、折线拱等；按桥面与拱肋相对位置可分为上承式、中承式、下承式拱；按拱截面形式又可分为板拱、肋拱、箱拱、桁架拱、刚架拱；按受力可分为有推力与无推力体系拱桥、简单体系拱桥、组合体系拱桥等。

拱桥在我国有着极其广泛的应用，也取得过辉煌的成就，向上可追溯至建于隋朝年间公元595年－605年的赵州桥，距今已有1400多年的历史，是当今世界上现存第二早、保存最完整的古代单孔敞肩石拱桥。如今，拱桥的多个世界纪录也均由我国保持，如世界上主跨跨径最大的拱桥是重庆朝天门大桥，世界上主跨跨径最大的钢管拱桥是上海卢浦大桥，重庆万州长江大桥是当时世界上跨径和规模最大的钢筋混凝土拱桥，重庆菜园坝长江大桥更是创下了三项世界第一：钢箱拱梁跨距420米，为世界第一长；是世界第一座公路轻轨两用城市大桥；也是世界第一座采用缆索吊机安装的大桥。

对于拱桥的结构改进，人们也进行了许多研究；如中国专利申请号为CN201310613938.6公开了一种钢管桁架拱桥，包括两个空心圆钢管拱肋、空心圆钢管系梁和横撑，所述横撑焊接在两个空心圆钢管拱肋之间，所述空心圆钢管系梁上焊接有横梁，还包括拱脚连接装置，所述空心圆钢管拱肋的两端和空心圆钢管系梁的两端通过拱脚连接板形成刚结，所述空心圆钢管拱肋的腹部和空心圆钢管系梁之间连接有桁架式腹杆。该实用新型申请的钢管采用工厂制造成品钢管，施工现场对钢管节段进行焊接，节段少，焊接质量易保证，施工方便，施工工期短。又如中国专利申请号为CN201710067044.X公开了一种张拉成形组合结构拱桥的建造方法，所述拱桥包括至少两根平直的相互平行的下弦、至少两根上拱的相互平行的上弦、横向连接于相邻两根上弦之间的一组横撑、连接于同侧上弦和下弦之间的一组腹杆、连接于相邻两根下弦之间的一组横梁；下弦和横梁共同构成平面桥面系；所述下弦由顺序穿在下弦钢索上的一组下弦管拼接组成，相邻的下弦管之间通过法兰螺栓连接；所述上弦由上弦管顺序焊接而成，拼接好的上弦管的两端底部分别焊接于拼接好的下弦管的两端；在拼接好的下弦管和上弦管内灌注有微膨胀砂浆或混凝土。本实用新型可在拱桥建设中将施工成形态、运行荷载态融为一体，施工快捷，简单经济。上述两个方案均是在全跨内布置刚性腹杆，整个结构更具有桁架的特征，而拱的受力特征减弱，结构应力水平较大；整个结构的超静定次数增加，在温度作用下结构拱肋应力水平明显增加。

也就是说，目前已有的拱桥虽然存在诸多优势，但是因其结构和受力上的特点存在的诸多问题也有待解决，在大跨径拱桥设计建造方面，由于新材料、新技术的广泛使用，其所暴露出来的问题越来越为人们所重视。首先，随着拱桥跨度的不断突破，拱肋稳定性成为了拱桥设计中的关键问题。其次，高速铁路的建设对铁路拱桥的刚度提出了严格的要求，如何使拱桥获得更高的刚度是提高列车行驶速度和行车舒适性的重要课题。第三，拱桥的横向及竖向基频受跨径的影响最大，跨径越大基频越低，特别是下承式柔性吊杆拱。拱桥要想继续保持优势并获得长足发展，必须寻找新途径来突破以上瓶颈。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有拱桥存在的突出问题，提出一种新的拱桥---大桁拱桥。本实用新型的大桁拱桥仅在拱肋1/4～3/4区域设置腹杆，构成一个以拱肋作为上弦杆，主梁作为下弦杆，且带柔性吊杆的大桁架结构。大桁拱桥既不破坏拱结构的受力特征，又有桁架的特点，可使结构的刚度、稳定性、动力特性得到很大改善。因其矢跨比可以做得更小，可有效减小矢高，从而又降低施工难度。本实用新型具有良好的力学性能，可用于修建对刚度、动力性能要求高的桥梁，有极大的工程应用价值。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种大桁拱桥，主要由拱肋、主梁、竖腹杆、斜腹杆、柔性吊杆和横撑组成；所述的竖腹杆设有三对并且分别竖直设置在拱肋的1/4附近、1/2、3/4附近处，竖腹杆的上端与拱肋相连接，下端与主梁相连接；所述的斜腹杆设有两对，其中一对斜腹杆的上端与设置在拱肋1/4附近处的竖腹杆上端相连接，下端与设置在拱肋1/2处的竖腹杆下端相连接；另一对斜腹杆的上端与设置在拱肋3/4附近处的竖腹杆上端相连接，下端与设置在拱肋1/2处的竖腹杆下端相连接；所述的拱肋、主梁、竖腹杆、斜腹杆构成一个以拱肋作为上弦、主梁作为下弦杆且带柔性吊杆的大桁架结构。

本实用新型的大桁拱桥既保留了拱结构的受力特征，又有桁架的特点，可使结构的刚度、稳定性、动力特性得到很大改善。在本实用新型中，作用于主梁上的荷载遵循以下传力路径：主梁→柔性吊杆/腹杆→拱肋→基础。

作为本实用新型的进一步说明，以上所述的柔性吊杆可斜向对称布置或者竖直布置在拱肋和主梁之间。

作为本实用新型的进一步说明，以上所述的拱肋采用钢结构或者钢混组合结构；所述的竖腹杆和斜腹杆均采用钢结构。主梁、横撑和柔性吊杆的截面及材料均与传统一致。

作为本实用新型的进一步说明，以上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。

作为本实用新型的进一步说明，以上所述的拱肋可根据承载力要求在拱脚处包混凝土。

本实用新型的优点：

本实用新型的最大特征为仅在拱肋的1/4附近、3/4附近及拱顶(1/2)处设置竖向腹杆，斜腹杆两端分别连接于中间竖腹杆底部和两边竖腹杆顶部，从而构成一个以拱肋作为上弦杆，主梁作为下弦杆，且带柔性吊杆的大桁架结构。大桁拱桥兼具拱和桁式结构的优点，可使结构各项力学性能均得到很大改善：

1.柔性吊杆及腹杆的作用使得主梁成为具有多点弹性支撑的连续梁，使主梁的竖向刚度大幅提高，通过腹杆将竖向刚度大的拱肋与主梁进行刚性连接后，可以大大提高结构的面内刚度，且竖向腹杆加强了拱肋的薄弱部分。与普通柔性吊杆拱桥相比，在移动荷载作用下本桥主梁的挠度大大减小，即刚度很大。

2.本实用新型的大桁拱桥的面内、面外稳定性均有所提高，特别是面内稳定性。

3.由于本桥具有较高的刚度，其动力特性得到很大的改善，更保证了行车的舒适度。

4.本实用新型的大桁拱桥矢跨比可尽量做小，从而大大减小了矢高，降低了施工难度，同时又有利于结构抗震。

5.本实用新型的大桁拱桥还可减小部分水平推力，使得基础的施工得以简单化，从而降低造价。

附图说明

图1、图2分别是本实用新型中大桁拱桥的两种布置形式。

图3是图1、图2的俯视结构示意图。

图4是拱轴线与压力线的关系示意图。

图5是拱轴线的偏移量示意图。

图6是拱肋在恒载作用下的受力示意图。

图7是拱肋在恒载作用下的变形图。

图8是拱肋在移动荷载作用下的位移包络图。

图9是非保向力系对拱稳定的影响的示意图。

图10是拱肋横向变形示意图。

图11是主梁横向变形示意图。

附图标记：1-拱肋，2-主梁，3-竖腹杆，4-斜腹杆，5-柔性吊杆，6-横撑。

具体实施方式

现结合图1-图11，对本实用新型的力学原理及其结构进行说明：

1.大桁拱桥的成桥说明

按普通柔性吊杆拱桥成桥后，再安装腹杆，因此本结构并未增加施工难度。

2.腹杆的设置

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4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4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y_l/4/f，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5)。

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(5)所示]。

由图(5)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5)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，如在A、B、C三点之外设置弹性约束，均会对拱肋受力带来不利影响。

2.2拱肋变形分析

拱肋在恒载作用下的受力示意图及变形图分别如图6、7所示，其最大变形位置发生在A处；拱肋在移动荷载作用下的位移包络图如图8所示，其最大变形发生在B处。由此可见，在恒载作用下，拱肋的薄弱位置在拱顶处，在移动荷载作用下，薄弱位置在1/4、3/4处。

2.3约束点的选取

结合以上拱肋受力及变形特征，对半拱肋选取A、B作为弹性约束点，可减小拱肋变形，且在恒载状态下其与普通柔性吊杆拱桥受力状态基本相同，拱轴线没有被破坏。

本实用新型将1/4、1/2、3/4处的柔性吊杆换成刚度较大的竖腹杆，并将斜腹杆两端分别连接于中腹杆底部和边腹杆顶部。从而在横向面内竖腹杆与横联、桥面形成三个箍；在纵向面内构成一个拱肋作为上弦杆，主梁作为下弦杆，且带柔性吊杆的大桁架结构。由于上下间进行了三处刚性连接，又增加斜腹杆，因此本实用新型的整体性得到加强，并有效地减少了结构弯矩变形和剪切变形。

综上所述，本实用新型仅在A、B、C三处附近设置弹性约束，既保留了拱肋在恒载状态下的受力特征，又具备了桁式结构的特点。

3.新增构件非保向力正效应分析

由以上分析可知，新型拱桥的腹杆有利于减少拱肋的变形，还有提高拱肋稳定性的作用。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，腹杆及吊杆的工作状态对本文拱桥稳定性的影响不容忽视。对于本实用新型，当拱肋发生横向失稳时(图9)，腹杆及斜吊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，吊杆及腹杆发生倾斜，如图10、图11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：

而本文拱桥增设了五对腹杆，非保向力作用更加明显，从而侧向稳定性亦有所提高。

4.新型拱桥整体协作原理

拱肋作为小偏心受压构件，相对于同跨度的梁而言，有更高的竖向刚度，而对于新型拱桥的主梁来说，由于吊杆及刚性腹杆的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，通过刚性构件连接在一起，从而形成一个刚度大的结构，进而使结构具有更好的整体性。

5.拱座推力分析

本文拱桥设置了斜吊杆及斜腹杆，其在主梁上产生的水平分力相互平衡，而在拱肋上产生的水平分力则可平衡部分拱座推力，为简化计算忽略斜腹杆的弯矩和剪力，由力学平衡原理可得：

其中，H为拱座推力，q为拱肋等效均布荷载，l为跨径，f为矢高，S_i为第i根吊杆的拉力，α_i为第i根吊杆与水平方向的夹角，T为斜腹杆的轴力，β为斜腹杆与水平方向的夹角。

6.受力状态分析

由成桥说明可知，在恒载状态下腹杆不会给拱肋带来很大的集中力，从而保证了拱肋的均匀受力。在移动荷载作用下腹杆参与工作，由于其截面刚度很大，故可大大减小结构的竖向位移，但其内力较为集中而造成拱肋出现一定的程度的应力集中。在温度作用下，由于本实用新型增加了一些超静定次数，其温度效应较普通柔性吊杆拱桥明显。一般情况下，经过荷载组合后，最大应力通常出现在拱脚处，可根据实际情况通过增大拱脚段截面来减小该应力值(如在钢箱外包砼)，从而保证经济性。

7.与现有CN201310613938.6、CN201710067044.X技术的对比分析

现有CN201310613938.6、CN201710067044.X所公开的技术方案均在全跨内布置刚性腹杆，主要有以下几点不利之处：在全跨内布置刚性腹杆，整个结构更具有桁架的特征，而拱的受力特征减弱，结构应力水平较大；整个结构的超静定次数增加，在温度作用下结构拱肋应力水平明显增加；与本实用新型相比，其用钢量增加，经济性较差，且结构恒载较大，同样造成应力水平偏大；当跨度增大时，结构稳定性明显下降，用钢量亦急剧增加；此外，其施工难度大，不易成桥。综合考量之下，经济跨径仅在300m左右。

本实用新型巧妙的利用了拱轴线与压力线的关系，仅在拱肋的1/4附近、3/4附近及拱顶处设置竖向腹杆，斜腹杆两端分别连接于中腹杆底部和边腹杆顶部，从而构成一个以拱肋作为上弦杆，主梁作为下弦杆，且带柔性吊杆的大桁架结构。可见，本实用新型既保留了拱的受力特征，又具备了桁式结构的特点，各项力学指标均得到一定程度的改善，特别是结构的面内刚度大幅度提高。由于只增加了5对腹杆，结构的经济性仍较好，且结构还保留了柔性吊杆，因此更容易成桥。

综上所述，本实用新型与现有CN201310613938.6、CN201710067044.X所公开的技术方案在力学原理、成桥机理及结构形式等方面均有明显不同，其经济性更好，跨越能力更强。下面结合附图和实施例对本实用新型的结构设计进一步详细说明。

实施例：

本实施例的大桁拱桥的跨度布置均与卢浦大桥(总投资25亿元)相同。具体为：一种大桁拱桥，在传统柔性吊杆拱桥的基础上，增设5对腹杆。即主要由拱肋1、主梁2、竖腹杆3、斜腹杆4、柔性吊杆5和横撑6组成；所述的竖腹杆3设有三对并且分别竖直设置在拱肋1的1/4、1/2、3/4处，竖腹杆3的上端与拱肋1相连接，下端与主梁2相连接；所述的斜腹杆4设有两对，其中一对斜腹杆的上端与设置在拱肋的1/4处的竖腹杆的上端相连接，下端与设置在拱肋的1/2处的竖腹杆的下端相连接；另一对斜腹杆的上端设置在拱肋的3/4处的竖腹杆的上端相连接，下端与设置在拱肋的1/2处的竖腹杆的下端相连接；拱肋的拱脚附近外包混凝土，主梁2的其余位置则均匀布置柔性吊杆5；所述的拱肋1、主梁2、竖腹杆3、斜腹杆4构成一个以拱肋1作为上弦、主梁2作为下弦杆且带柔性吊杆5的大桁架结构。腹杆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和动力性能、更大的刚度。根据柔性吊杆的布置方式不同，有以下两种方案：

方案一采用结构形式一(柔性吊杆5斜向对称布置在拱肋1和主梁2之间)，如图1所示，并采用上述的结构形式，主拱矢跨比为1/5.5，设置5对腹杆。与卢浦大桥相比：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20％、柔性吊杆仅增加了5％，此费用综合下来即省去0.01亿元；所增加的腹杆费用为0.0047亿元；因此，与卢浦大桥相比，大桁拱桥一共省了0.2％的费用。但是大桁拱桥的拱肋刚度及整体刚度分别提高了75％及67％；一阶面内稳定性提高了155％，面外稳定性提高了23％；首次发生面内振动的频率提高了165％。

方案二采用结构形式二(柔性吊杆5竖直布置在拱肋1和主梁2之间)，如图2所示，并采用上述的结构形式，主拱矢跨比为1/4.1325，设置五对腹杆。与朝天门大桥相比：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0.03亿元；所增加的腹杆费用为0.0047亿元；因此，与朝天门大桥相比，大桁拱桥一共省了0.3％的费用。但是大桁拱桥的拱肋刚度及整体刚度分别提高了68％及60％；一阶面内稳定性提高了147％，面外稳定性提高了20％；首次发生面内振动的频率提高了158％。

实施例技术参数对比表

	费用节省(％)	刚度提高(％)	稳定性提高(％)	基频提高(％)
					方案一	0.2	75％和67％	155％	165％
方案二	0.3	68％和60％	147％	158％

Claims (5)

1.一种大桁拱桥，其特征在于：主要由拱肋（1）、主梁（2）、竖腹杆（3）、斜腹杆（4）、柔性吊杆（5）和横撑（6）组成；所述的竖腹杆（3）设有三对并且分别竖直设置在拱肋（1）的1/4附近、1/2、3/4附近处，竖腹杆（3）的上端与拱肋（1）相连接，下端与主梁（2）相连接；所述的斜腹杆（4）设有两对，其中一对斜腹杆的上端与设置在拱肋1/4附近处的竖腹杆上端相连接，下端与设置在拱肋1/2处的竖腹杆下端相连接；另一对斜腹杆的上端与设置在拱肋3/4附近处的竖腹杆上端相连接，下端与设置在拱肋1/2处的竖腹杆下端相连接；所述的拱肋（1）、主梁（2）、竖腹杆（3）、斜腹杆（4）构成一个以拱肋（1）作为上弦杆、主梁（2）作为下弦杆且带柔性吊杆（5）的大桁架结构。

2.根据权利要求1所述的大桁拱桥，其特征在于：所述的柔性吊杆（5）斜向对称布置或者竖直布置在拱肋（1）和主梁（2）之间。

3.根据权利要求1所述的大桁拱桥，其特征在于：所述的拱肋采用钢结构或者钢混组合结构；所述的竖腹杆（3）和斜腹杆（4）均采用钢结构。

4.根据权利要求1所述的大桁拱桥，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。

5.根据权利要求1所述的大桁拱桥，其特征在于：所述的拱肋（1）可根据承载力要求在拱脚处包混凝土。