系桿拱橋的研究與應(yīng)用

【摘要】隨著社會和交通快速發(fā)展，普通拱橋和梁橋已經(jīng)無法滿足人們的需求。系桿拱橋作為梁和拱的組合體系，具備跨度較大、結(jié)構(gòu)剛度大和地基承載要求低等優(yōu)點(diǎn)。本文首先介紹系桿拱橋的組成和特點(diǎn)；然后介紹系桿拱橋的三種形式；接著介紹系桿拱橋的布置形式；最后通過計算分析，得出斜吊桿拱橋具有豎向剛度大、內(nèi)力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。由于其具備獨(dú)特的優(yōu)勢，系桿拱橋?qū)V泛運(yùn)用于鐵路和城市軌道橋梁中。

【關(guān)鍵詞】系桿拱橋；吊桿布置；斜吊桿；豎向剛度

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(diǎn)，而梁橋能夠直接承受活載、對地基承載能力要求低等特點(diǎn)。系桿拱橋?qū)⒘汉凸皟煞N基本結(jié)構(gòu)有機(jī)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(shí)意義。

2、系桿拱橋特點(diǎn)

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(dú)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(dá)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(diǎn)處構(gòu)造簡單，施工方便，斜吊桿錨固點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)沿著拱肋弧長等距離分布，任何相連兩吊桿上節(jié)點(diǎn)中心與吊桿交叉點(diǎn)的所有連線交于系梁下一點(diǎn)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(diǎn)沿著拱肋等距離分布，下節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間距；徑向等角吊桿布置的吊桿上節(jié)點(diǎn)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(diǎn)中心與吊桿交叉點(diǎn)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?yàn)?，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(diǎn)，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(diǎn)，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。

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作者簡介：

王渝文，重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶；

余漫，重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶。