張弦結(jié)構(gòu)的新型拱結(jié)構(gòu)橋梁的可行性研究

楊季林 姚佳杰 俞鈞凱 陳恩怡 李佳歡 顏喜林

摘? 要：該文在傳統(tǒng)拱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又基于張弦結(jié)構(gòu)的原理，在拱腹下添加了張弦結(jié)構(gòu)，通過拉索的預(yù)應(yīng)拉力來平衡拱結(jié)構(gòu)受壓后的水平推力，以此來提升拱結(jié)構(gòu)的承載能力，最后得到一個(gè)新型的拱結(jié)構(gòu)橋梁?；谛滦凸敖Y(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)，建立結(jié)構(gòu)midas Civil三維模型并且控制其與傳統(tǒng)拱結(jié)構(gòu)的參數(shù)信息一致，并施加荷載。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，新型拱結(jié)構(gòu)的拉桿能夠有效地平衡一部分水平推力，以此提升整體的承載能力、整體剛度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：新型拱結(jié)構(gòu)? 預(yù)應(yīng)拉力? 張弦結(jié)構(gòu)? 橋梁

中圖分類號(hào)：TU399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2020）10（c）-0050-03

Abstract： Based on the traditional arch structure and the principle of tension string structure， this paper adds a string structure under the spandrel. Through the prestressing tension of the cable to balance the horizontal thrust of the arch structure after compression， so as to enhance the bearing capacity of the arch structure， and finally get a new type of arch structure bridge. Based on the design of the new arch bridge， the Midas civil 3D model of the structure is established， and the parameter information of the structure is controlled to be consistent with the traditional arch structure， and the load is applied. The experimental data shows that the pull rod of the new arch structure can effectively balance a part of horizontal thrust， so as to improve the overall bearing capacity， overall stiffness and stability.

Key Words： New arch structure; Prestressing tension; Tension string structure; Bridge

拱結(jié)構(gòu)的起源眾說紛紜，一般認(rèn)為拱結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在美索不達(dá)米亞和古埃及，之后逐漸地傳遍全世界。關(guān)于拱橋，世界上第一座石拱橋名為阿爾坎塔拉橋，建于公元98年的古羅馬，至今已有2000余年的歷史。在世界范圍內(nèi)古羅馬和中國(guó)都已建造拱橋著稱，在中國(guó)最著名的拱橋?yàn)橼w州橋。

1? 拱結(jié)構(gòu)

拱結(jié)構(gòu)（見圖1）主要在承受軸向壓力后由兩端拱座提供水平推力使整體平衡的曲形構(gòu)件。在相同跨度的結(jié)構(gòu)中，拱結(jié)構(gòu)的彎矩小、剛度大而且相對(duì)比較節(jié)省材料。所以，在建筑工程中，如橋梁、屋頂結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用拱結(jié)構(gòu)。尤其是近十幾年來，大跨度空間結(jié)構(gòu)逐漸興起，為大跨度拱結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了平臺(tái)。首先，在外荷載的作用下，拱結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生軸向壓力，所以需要用抗壓性能較好的材料（如鋼筋混凝土材料、石材等）來做拱結(jié)構(gòu)。其次，當(dāng)拱面收到載荷后，會(huì)將力以水平推力的方式傳導(dǎo)給兩端的支座，拱結(jié)構(gòu)跨度越大，兩端水平推力也將越大?，F(xiàn)今解決拱支座水平推力的方法有利用地基基礎(chǔ)直接承受兩端水平力、利用側(cè)面的框架結(jié)構(gòu)來承受水平力或是使用拉桿結(jié)構(gòu)來平衡水平力。所以該文的研究重點(diǎn)就是對(duì)于解決水平推力的研究。

2? 具有張弦結(jié)構(gòu)的新型拱結(jié)構(gòu)

張弦結(jié)構(gòu)的含義即為“首先將弦張拉再與梁組合起來”，現(xiàn)有的張弦結(jié)構(gòu)主要有以下兩種（見圖2）。集中張弦結(jié)構(gòu)雖然形狀不大相同，但是結(jié)構(gòu)類似，都是通過抗彎、受壓構(gòu)件和張拉構(gòu)件組成，其定義為：用撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件，通過在抗拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力，減輕壓彎構(gòu)件負(fù)擔(dān)的自平衡體系。該文拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是在傳統(tǒng)拱形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合拉索和撐桿，組成一個(gè)由傳統(tǒng)拱形結(jié)構(gòu)和張弦結(jié)構(gòu)組成的組合體。其原理是通過張弦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平力以抵消部分原本拱結(jié)構(gòu)受壓后的水平推力。

3? 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

該文基于midas Civil對(duì)于新型拱結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)拱結(jié)構(gòu)在承受相同的荷載之后的變形程度進(jìn)行研究分析，通過三維有限元模型建立并施加荷載能夠更加直觀地發(fā)現(xiàn)應(yīng)力、變形較大的節(jié)點(diǎn)。

首先，使用midas Civil建立傳統(tǒng)箱式拱結(jié)構(gòu)和新型拱結(jié)構(gòu)（見圖3），跨度長(zhǎng)50 m，結(jié)構(gòu)高度為10 m。其次，為了使最終結(jié)論更具有科學(xué)依據(jù)，需要將兩種拱結(jié)構(gòu)選用材料以及截面尺寸以及兩端連接條件等信息設(shè)置一致，所選材料均為鋼筋混凝土（混凝土強(qiáng)度C30，鋼筋抗拉等級(jí)1 720 MPa）。其中新型拱形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是，在3節(jié)點(diǎn)處豎直向下加上一根撐桿，在通過預(yù)應(yīng)力拉索分別對(duì)稱地連接兩側(cè)的橋體節(jié)點(diǎn)，使之成為一個(gè)局部的張弦結(jié)拱形結(jié)構(gòu)。最后，分別在兩種模型結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)1～5范圍內(nèi)施加豎直向下100 kg/m的均布線荷載，并觀察兩者的變形位移，數(shù)據(jù)見下表1。在對(duì)比兩種拱形結(jié)構(gòu)的變形位移數(shù)據(jù)后，制作出兩者豎直方向上位移折線圖。

由此可見，在材料、截面尺寸以及相同加載條件下，新型拱形結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的位移相較傳統(tǒng)拱形結(jié)構(gòu)下了許多，承載能力得到了提升。

4? 結(jié)語

通過midas Civil模型加載驗(yàn)證，具有局部張弦結(jié)構(gòu)的新型拱結(jié)構(gòu)在相同的加載環(huán)境下的變形、承載性、剪力都比相同材料、截面，相同跨度、高度的傳統(tǒng)拱形結(jié)構(gòu)的效果好。雖然新型拱形結(jié)構(gòu)的自重會(huì)比傳統(tǒng)拱形結(jié)構(gòu)大，但是由于新型拱形結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力拉索，能較好地抵消了拱形結(jié)構(gòu)在受到載荷后產(chǎn)生的水平推力，以此增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的承載性。

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