浅谈经典系杆拱桥的设计与应用

浅谈经典系杆拱桥的设计与应用

摘要：本文结合经典系杆拱桥发展的现状，通过简要介绍，总结出经典系杆拱桥的结构受力特点、分类方法和计算思路，并且对新的应用技术进行展望，希望对今后的系杆拱桥设计和分析具有参考价值。

关键词：经典系杆拱桥；静动力计算；设计分析

引言

随着科研水平的持续进步和土建材料的不断发展，混凝土和钢结构逐步应用到拱桥结构中。优化材料的应用使拱桥的结构形式变得更为多元[1]。最突出的特点是拱桥突破了上承式结构的限制，将拱圈形式分离成拱肋式，桥面发展为板梁式的结构。伴随着人们对桥梁认识的逐步加深和实践经验的日益积累，拱桥的多种优化形式相继出现，梁拱组合体系就是其中的一种优化形式。梁拱组合体系，是梁与拱的有机结合，车辆荷载直接作用于主梁，梁结构主要承受弯矩，拱结构的刚度较大，主要承受轴向压力，因此材料特性得以充分利用[2]。

1 概述

经典系杆拱桥是指由系杆、桥面系梁(板)、拱结构和吊杆等所组成的组合结构体系。体系中设置系杆来平衡拱脚处对地基产生的水平推力。结构通过系杆承受的拉力来平衡拱脚处的推力，以形成无推力结构。因此在地质条件不好的地区,这种桥型极具竞争力[3]。

经典系杆拱桥的布置形式多样，与桥位所处的环境相搭配时，可设计出既满足承载需要又具有美学价值的样式[4]。

2 经典系杆拱桥受力特点

经典系杆拱桥具有如下特点[5-7]:

(1) 经典系杆拱桥作为一种无推力结构，能够有效地降低结构对地基和基础的承载要求。经典系杆拱桥可以修建于地质条件不佳的地区，如软土及深水地基，基础的构造可以设计得相应的简单，从而降低修筑基础的成本。

(2) 经典系杆拱桥的桥面系主要承受弯矩，并将作用在桥面上的荷载通过吊杆传递到拱助上。吊杆材料一般使用合金钢、钢绞线或平行钢丝束。吊杆不仅传递荷载，还具有非保向力作用，有效地提高拱结构的横向稳定性。基于这种特点，吊杆可取代横撑用于敞开式和单拱面拱桥。

(3) 经典系杆拱桥的横向稳定性，通常是由拱助间的横向联结系来提供。横撑的设计形式有多种，其中较为常见的有一字撑、K形撑和X形撑。结构的横向稳定性与横撑的布设形式和数量均有关，合理的横向联结系对经典系杆拱桥的

稳定至关重要。

(4) 经典系杆拱桥上部结构往往自重较大，较梁式桥重心更高，因此更易受地震响应的影响。在经典系杆拱桥的设计中，可以通过设置减、隔震装置来提高经典系杆拱桥的抗震性能。

3 经典系杆拱桥分类

根据不同的分类标准，经典系杆拱桥的分类方法有很多。

按照系杆和拱助的相对刚度可分为三类。刚性系杆刚性拱，系杆和拱肋均具有较大的刚度，承受的弯矩大小按其相对刚度进行分配，该种拱桥能够承受相对较大的荷载。柔性系杆刚性拱，系杆的刚度远小于拱肋的刚度，系杆仅承受拉力，只起到平衡拱脚处水平推力的作用。刚性系杆柔性拱，拱肋的刚度相对较小，仅能承受轴向压力，此时系杆承受较大的弯矩和轴力,此种拱结构稳定性比较好,且内力分布较均匀。

按照吊杆形式分类。按照吊杆的布置形式可以分为竖向吊杆、斜向吊杆和交叉吊杆三种布置形式。

按照拱肋的形式和材料分类。按照拱肋的倾角，可分类为垂直拱、提篮拱。按照拱助的材料，可分类为钢拱、钢筋混凝土拱、钢管混凝土拱、劲性骨架拱等。

4 经典系杆拱桥结构的计算方法

经典系杆拱桥从结构受力角度分析，外部为静定结构，内部为超静定结构。目前，经典系杆拱桥力学性能的分析普遍采用以下的计算方法:

（1）以梁单元建模，进行桥结构整体分析。该类方法计算很简便，可得到桥梁整体分析计算结果，但不能反应出桥梁局部的应力和变形状态。

（2）对桥梁整个结构进行三维有限元离散，可求得拱桥全部的应力和变形，但此种方法工作量巨大。

（3）对方法(2)进行改进，即采用子结构技术，将节点处理为子结构，使工作量减少许多，但仍相当繁重，不够灵活。

从结构的整体受力来看，在跨中处的拱肋与系梁的距离最大，拱肋的轴向压力与主梁的轴向拉力组合成为最佳的抗弯方式时，可使拱肋和系梁内部的弯矩大大减小。而在剪力较大的支点处，由于拱轴线与水平方向此处倾角最大，拱肋内部轴向压力的竖向分力有效地平衡了支点的剪力作用。由于拱轴线基本上符合简支梁的弯矩包络图，系杆拱桥的结构内力可主要表现为拱肋的轴向压力和系梁的轴向拉力，剪力和弯矩主要是吊杆范围内影响的节间荷载。

5. 经典系杆拱桥的应用

在实际工程应用中会出现场地条件不适宜采用上承式、下承式系杆拱桥,或者根据需求应设计跨越能力更大的系杆拱桥的情况,此时中承式系杆拱的应用就显得更为合理。中承式系杆拱桥多釆用三跨带悬臂的形式,由于其外形类似展翅欲飞的大雁,因此这种拱桥俗称飞燕式系杆拱桥。其主拱和边拱相互映衬,具有景观设计上的美学意义。

飞燕式系杆拱桥在恒载作用下的水平推力主要由施加的系杆力抵消,移动荷载等活载作用在拱脚处引起的推力则主要由地基、基础来平衡。飞燕式系杆拱桥通常将主跨布置成中承式，边跨布置成上承式。在材料和尺寸设计上，边跨一般采用荷载集度较大的材料如钢筋混凝土,和较小的矢跨比，因为矢跨比越小拱内部的轴向压力产生的水平分力就越大。合理的结构形式更易于平衡主拱肋在拱脚处产生的推力,也更具经济性。飞燕式系杆拱桥的悬吊体系柔度较大,需考虑对行车舒适性的影响。可以通过延长桥面系的长度,以提高桥面系的整体刚度,从而减小运营状态主梁的变形,弱化桥面的振动。此外，也可以通过设置斜吊杆来提高结构体系的纵向刚度。可以用一定数量的横撑来保证飞燕系杆拱桥的横向刚度,也可以将吊杆的横向倾斜设置成提篮拱桥来间接提高桥梁的横向刚度。

经典系杆拱桥是一种特殊形式的拱桥，同时具有拱桥和梁桥的特点。与一般的拱桥和梁桥相比，强度更高，结构受力更合理，用料更省，施工方法更多，造型更为美观，是一种极具竞争力的桥梁结构形式。

6.参考文献

[1]颜东煌.组合体系拱桥的发展与应用综述[J].世界桥梁,2007.

[2]易云焜.梁拱组合体系设计理论关键问题研究[D]. 2007.

[3]林飞.中承式系杆拱概念设计[J].桥隧工程,2010.

[4]李博强.飞鸟式系杆拱桥稳定性分析与施工控制[D],2011.

[5]黄帅.下承式钢箱拱助系杆拱桥受力性能研究[D],2010.

[6] 张宪国.中承式钢箱拱助系杆拱桥静力性能研究[D],2010.

[7]范立础.桥梁工程[M].人民交通出版社,2001.