上承式無推力拱形橋梁結(jié)構(gòu)體系分析和比較

吳新元，任宏業(yè)

(林同棪國(guó)際工程咨詢（中國(guó)）有限公司，上海市 200092)

1 概述

上承式無推力拱形橋梁（本文指具有類似拱造型的上承式無推力橋梁的統(tǒng)稱，下同）由于其結(jié)構(gòu)輕盈美觀、特別適合于軟土地基的平原地區(qū)(見圖1)，近年來在國(guó)內(nèi)外已修建多座類似造型的橋梁。這類橋型從外觀看比較類似，實(shí)際結(jié)構(gòu)體系卻不盡相同，有的是真正的無推力體外索系桿拱橋，有的是V型墩結(jié)合上部主梁形成的類似拱形造型的橋梁。

圖1 典型的上承式無推力拱形橋

目前國(guó)內(nèi)外這類橋型按結(jié)構(gòu)體系分主要有空腹連續(xù)梁體系、V型墩-連續(xù)梁體系、V型墩連續(xù)剛構(gòu)體系(或空腹剛架拱體系)和無推力系桿拱體系；其中前三種為連續(xù)梁(或連續(xù)剛構(gòu))演變而來的梁（拱）組合結(jié)構(gòu)，后一種為有水平體外索的系桿拱橋。

2 空腹連續(xù)梁體系

空腹連續(xù)梁體系本質(zhì)上還是連續(xù)梁，只是為了降低跨中梁高在中支點(diǎn)處梁底加了一個(gè)V型的斜腿(也可以看成是變截面連續(xù)梁中支點(diǎn)處梁體腹部挖空)，由于有了斜腿的支撐，中跨梁的跨徑減小從而降低了中跨梁高，見圖2。

圖2 空腹連續(xù)梁體系示意圖

這種結(jié)構(gòu)體系本質(zhì)上是連續(xù)梁體系，所以中間墩不存在整體升降溫的水平推力。由于支座位置較低，為防止洪水淹沒支座，該類體系適合于水位較低或者中間墩設(shè)置在岸上的情形，無錫的新?lián)P大橋就是中間墩在岸上的這類結(jié)構(gòu)。

3 V型墩連續(xù)梁體系

V型墩連續(xù)梁體系也可以看作是一般連續(xù)梁演變而來，和空腹連續(xù)梁體系不同的是，它是一般連續(xù)梁橋墩的改變－直柱橋墩演變?yōu)閂型橋墩，實(shí)際上由三跨連續(xù)梁變成了五跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 V型墩連續(xù)梁體系示意圖

V型墩外部是靜定結(jié)構(gòu)體系，整體升降溫不產(chǎn)生推力。具體設(shè)計(jì)中一般把V型墩的上拉系桿隱藏在兩片梁之間，從側(cè)面看猶如墩梁一體，能夠很好的滿足拱形橋梁景觀的要求，見圖4、圖5。

圖4 V型墩造型

圖5 V型墩連續(xù)梁橫斷面圖

目前，國(guó)內(nèi)V型墩－梁式橋多采用V型墩連續(xù)剛構(gòu)體系，其技術(shù)成熟可靠。但是，對(duì)于墩高較低或跨數(shù)較多的橋梁，V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度內(nèi)力（升降溫差引起的次內(nèi)力）、收縮徐變內(nèi)力以及分聯(lián)墩對(duì)橋梁景觀的不利影響，均限制了該橋型的應(yīng)用。而V型墩連續(xù)梁體系本質(zhì)上是連續(xù)梁，適用范圍廣，能夠很好的解決以上問題。V型墩連續(xù)梁體系較早應(yīng)用于華盛頓特區(qū)的新 Woodrow Wilson紀(jì)念橋，國(guó)內(nèi)洛陽(yáng)的希望橋和杭州九堡大橋主橋中間墩均采用該結(jié)構(gòu)體系。

4 V型墩連續(xù)剛構(gòu)體系(或空腹剛架拱體系)

目前國(guó)內(nèi)V型墩橋梁中建造最多的結(jié)構(gòu)體系是V型墩連續(xù)剛構(gòu)體系，有的稱為空腹剛架拱體系。該種體系可看成是把一般連續(xù)剛構(gòu)體系的橋墩加以演變而來，見圖6。

圖6 V(Y)型墩連續(xù)剛構(gòu)體系示意圖

為了降低中跨梁高，把一般連續(xù)剛構(gòu)的橋墩換成V型支撐墩，這樣可以減小中跨的跨徑從而降低跨中梁高。

此種結(jié)構(gòu)體系V型橋墩設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)的整體剛度太大時(shí)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，從而造成本身的投資反而加大。V型墩的傾角和墩身厚度均須要選取恰當(dāng)，傾角不宜過小，墩身厚度不宜過大，墩高不宜太矮，跨徑不宜太小，連續(xù)跨數(shù)不宜太多。傾角過小、墩身過厚、墩高小、跨徑小、分跨多均會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的溫度內(nèi)力過大，考慮基礎(chǔ)沉降時(shí)結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力又大大增加，從而使得上部設(shè)計(jì)與下部設(shè)計(jì)的付出均大大增加，造成橋梁投資不經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)墩高較矮或橋梁跨數(shù)較多時(shí)可以考慮采用上節(jié)的V型墩連續(xù)梁體系。

當(dāng)墩高較高或水深較深時(shí)，可以考慮把V型墩做成Y型墩，這樣既增加了橋墩的柔度，又很好解決了高低水位時(shí)淹沒V型墩腳對(duì)美觀的影響。臺(tái)北北二高碧潭大橋和重慶合川涪陵一橋即為Y型墩連續(xù)剛構(gòu)橋，福建龍溪洲閩江大橋?yàn)閂型墩連續(xù)剛構(gòu)橋。

5 無推力系桿拱體系

上承式無推力系桿拱橋由于體外索系桿平衡了水平推力，特別適合于軟土地基的平原地區(qū)，見圖7。

圖7 無推力系桿拱體系示意圖

體外索系桿成橋張拉力一般考慮完全平衡恒載的水平推力。體外索在邊跨梁端部錨固時(shí)需考慮以后更換的空間。拱上建筑支撐的梁可以是連續(xù)或簡(jiǎn)支梁。

上承式無推力系桿拱橋造型美觀、獨(dú)特，但是受力也比較復(fù)雜，特別要注意不同施工階段體外索系桿的施工張拉力調(diào)整。

由于體外索長(zhǎng)度的限制和連拱的影響，上承式無推力系桿拱橋跨數(shù)不宜過多。

江山迎賓橋和滁州東陽(yáng)橋均為該種結(jié)構(gòu)體系橋。

6 不同結(jié)構(gòu)體系的比較

以上四種結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)中通過局部構(gòu)造措施均能達(dá)到上承式拱的造型。但結(jié)構(gòu)體系卻相差很大，結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和適用范圍也各不相同，見表1。

7 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了上承式無推力拱形這類橋梁的四種不同結(jié)構(gòu)體系，分析了不同結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)和適用范圍，為以后在設(shè)計(jì)這類造型橋梁時(shí)提供參考。

表1 四種結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)和比較

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