系桿拱橋的研究與應(yīng)用

文/王渝文 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074

余漫 重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院 重慶 400074

1、引言

簡單體系拱橋結(jié)構(gòu)具有剛度大、材料利用率高、能充分發(fā)揮圬工材料優(yōu)勢等優(yōu)勢，但其存在拱座處水平推力大，對地基承載能力要求高的缺點，而梁橋能夠直接承受活載、對地基承載能力要求低等特點。系桿拱橋?qū)⒘汉凸皟煞N基本結(jié)構(gòu)有機結(jié)合起來，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)特性及其組合作用。因此，研究系桿拱橋具有現(xiàn)實意義。

2、系桿拱橋特點

系桿拱橋由拱肋、系桿（或系梁）、吊桿（或立柱）、橫撐、橋面系等結(jié)構(gòu)組成。系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)簡支與墩臺上，體系中由系梁或系桿來平衡拱腳產(chǎn)生的水平推力，為外部靜定、內(nèi)部超靜定無推力結(jié)構(gòu)。系桿拱橋具備整體豎向剛度大、對地基條件要求低、建筑高度較低等優(yōu)勢。因此，在地基基礎(chǔ)較差以及建筑高度受限的地區(qū)中，該結(jié)構(gòu)極具競爭力。

3、系桿拱橋的分類

根據(jù)拱肋與系梁相對剛度的大小，系桿拱橋可分為三類：柔性系桿剛性拱（系桿拱）、剛性系桿柔性拱（郎格爾拱）、剛性系桿剛性拱（洛澤拱）。

(1)柔性系桿剛性拱—系桿拱

具有豎直吊桿的柔性系桿剛性拱稱為系桿拱，一般來說，其拱和系梁相對的剛度 。組合體系以拱肋為主要受力體，其柔性系梁主要起著取代地基平衡拱的水平推力的作用，所承受的彎矩很小，可忽略不計，豎向荷載一般由橋面板傳遞到橫梁上，然后通過吊桿傳遞到拱肋上。當(dāng)跨徑增加后，由于系梁的剛度相對較小，同時配合使用柔性吊桿，這使得橋面系具有很小的豎向剛度，汽車的行駛將會使橋面系產(chǎn)生較大的振幅，這將大大降低行車的安全性以及橋梁的耐久性。

(2)剛性系桿柔性拱—朗格爾拱

具有豎直吊桿的剛性系桿柔性拱稱為朗格爾拱，朗格爾拱中其拱和系梁相對剛度 。組合體系以系梁為主要受力體，系梁不僅承受拱座水平推力，同時也承受荷載產(chǎn)生的彎矩，為拉彎組合構(gòu)件。拱肋通過吊桿對主梁提供彈性支撐，使得主梁內(nèi)力分布更均勻，能夠有效降低主梁最大彎矩，為減小主梁高度提供理論支持。剛性系桿與吊桿、橫撐組成了剛度較大的桁架，拱肋不會發(fā)生面內(nèi)S形變形，在適用跨度內(nèi)能夠保證拱的穩(wěn)定性。該形式常采用先梁后拱的施工方法，由梁單獨承受自重，而后加的二期和活載則由組合體系共同承受。

(3)剛性系梁剛性拱—洛澤拱

具有豎直吊桿的剛性系桿剛性拱稱為洛澤拱。一般來說，其拱和系梁的相對剛度 。洛澤拱為目前最常用的形式，其拱肋和系梁都具備一定的剛度，拱肋與系梁為剛性連接，這使得橋梁整體剛度較大。豎向荷載由拱肋和系梁共同承擔(dān)，成橋時吊桿的內(nèi)力值之和為拱肋分擔(dān)的恒載大小，而活載則按照拱肋與系梁的豎向剛度比來分配。拱肋和系梁受力比較均勻，其尺寸可按照適當(dāng)比例配合而達到外形協(xié)調(diào)，突出橋梁的美學(xué)效果。洛澤拱適用于設(shè)計荷載較大的公路橋梁、重載的鐵路橋梁，以及公鐵兩用橋梁。

4、吊桿布置形式

系桿拱橋中，吊桿分為直吊桿、斜吊桿兩種形式，直吊桿整齊美觀，吊桿錨固點處構(gòu)造簡單，施工方便，斜吊桿錨固點處構(gòu)造簡單。按照吊桿布置原則可分為等間距吊桿布置、平行吊桿布置和徑向吊桿布置等三種布置形式。

(1)等間距吊桿布置

吊桿上結(jié)點沿拱肋水平方向等間距的布置形式稱為等間距吊桿布置，其中包括扇形布置形式以及單華倫桁式、雙華倫桁式等。

(2)平行吊桿布置

吊桿與系梁等夾角的布置形式稱為平行吊桿布置。這種吊桿布置形式是指吊桿沿系梁等間距布置，且每根吊桿與系梁的夾角保持不變。

(3)徑向吊桿布置

吊桿上節(jié)點沿著拱肋弧長等距離分布，任何相連兩吊桿上節(jié)點中心與吊桿交叉點的所有連線交于系梁下一點的布置形式稱為徑向吊桿式，可分為固定模式吊桿布置和徑向等角吊桿布置。固定模式吊桿布置的吊桿上節(jié)點沿著拱肋等距離分布，下節(jié)點從跨中到L/4跨也等間距分布，但從拱腳到L/4跨，吊桿間距隨著具體設(shè)計略有變化，同時增大拱腳與系梁拱端吊桿節(jié)點間距；徑向等角吊桿布置的吊桿上節(jié)點也沿著拱肋等距離分布，且所有吊桿與拱肋的交角均相等，這樣任何相連兩吊桿節(jié)點中心與吊桿交叉點的所有連線將交于同一圓心。

5、斜吊桿與豎直吊桿受力分析

通過計算分析發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，采用斜吊桿能夠有效提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度，從而大幅度減小結(jié)構(gòu)受力時的豎向擾度，同時由于斜桿能夠減小拱橋的剪切變形，故斜吊桿拱橋能夠滿足鐵路和城市軌道交通的需求。斜吊桿拱橋拱圈及系梁的軸力略大，但其拱肋所承受的彎矩有明顯降低，內(nèi)力變化更加均勻，這為斜吊桿拱橋設(shè)計等截面拱肋提供了理論支撐。但需要注意的是，相同使用情況下，斜吊桿的應(yīng)力幅明顯大于豎直吊桿。因為，需要注意斜吊桿使用時的疲勞問題。

結(jié)語：

系桿拱橋?qū)⒐昂土航M合起來，充分發(fā)揮拱橋與橋梁的優(yōu)點，在現(xiàn)代橋型中具備極大的競爭優(yōu)勢。系桿拱橋吊桿布置方式具有多樣性，其中斜吊桿拱橋由于具備活載豎向擾度小、內(nèi)力分布均勻等優(yōu)點，其廣泛應(yīng)用于鐵路和城市軌道交通橋梁。隨著高鐵和城市軌道的不斷發(fā)展，系桿拱橋體系將會被廣泛投入使用。