大跨度中承式拱桥结构体系

冯希训 ，徐利平 ，张 丛

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.同济大学建筑设计研究院，上海市 200092）

0 引言

在目前的大跨度桥梁设计中，中承式拱桥是优先考虑的桥型之一。它具有优越的力学特点和广泛的适用场合。许多拱桥为避免两岸桥台及基础的水中施工困难和拱肋防撞问题，起拱线设于常水位或低水位之上，在一定的跨径和矢跨比条件下，拱的矢高远大于起拱线与桥面标高间的距离，就无法采用上承式，而多采用中承式。

海诺·嗯戈尔将结构体系定义为：“结构内部荷载的传递方式以及为保持结构内部平衡而形成的内力状态”。针对中承式拱桥，一般而言其传力方式为：桥面荷载直接作用在桥面上，对于以拱为主要承重构件的结构体系，桥道系把作用力通过吊杆和立柱传递到主拱肋上，主拱肋又把这些作用力传递到拱座和地基，形成传力主从结构；对于以梁为主或拱梁共同承重的结构体系，还有一部分桥面荷载由系梁来承受。但是，随拱、梁间结合方式不同，最终又表现出不同的受力状态。

目前文献关于中承式拱桥受力特性的研究，主要集中在某座具体拱桥或者拱肋、横撑、吊杆、主梁等某个具体构件上，缺乏对中承式拱桥结构体系的系统分类和研究。本文将大跨度中承式拱桥的结构体系分为5种，即有推力单拱体系、自平衡连拱体系、自平衡刚构式连拱体系、刚构与下承式拱组合体系、具有梁桥支承体系的连拱结构，旨在分析这5种结构体系的受力、传力规律，并结合已建实际工程案例，总结各体系总体设计参数及构造形式，供类似设计参考。

1 大跨度中承式拱桥结构体系

通过对已建大跨度中承式拱桥的构造形式、受力特点进行对比研究，现将中承式拱桥结构体系分为以下5种。

1.1 有推力单拱体系

单拱体系即一孔跨越河流、山谷等障碍的单孔拱桥体系，主拱圈是主要承重构件，承受桥上全部荷载，并通过其拱脚传给墩台与基础。单拱体系拱桥按照主拱的静力特点又可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱，而单跨中承式拱桥多采用有推力的无铰拱体系。无铰拱属外部三次超静定结构，在自重及外荷载作用下，拱内弯矩分布均匀，材料用量省。但是，由于其超静定次数高，温度变化、材料收缩徐变、结构变形、墩台位移均会在拱内产生较大附加力，所以无铰拱一般建造在地基良好的条件下。但是，附加内力的影响会随着跨径增大而相对减小，故无铰拱仍是大跨度桥梁采用较多的一种构造形式，特别适用于能一跨跨越河流、山谷的西部山区地带，如图1所示。广西邕宁邕江大桥、四川宜宾南门金沙江大桥、重庆巫山巫峡长江大桥即采用该种体系。其总体设计参数、构造形式见表1。

1.2 自平衡连拱体系

“连拱”即连续的多孔拱桥，当支承在有限刚度桥墩上时，某一孔受到活载作用，其拱脚连同桥墩墩顶将一同发生位移和转角，引发连拱效应；“自平衡”即在两边拱端部张拉系杆，以平衡恒载作用下中墩基础的水平推力，因此中墩基础只承受温度荷载、活载等产生的水平推力，能适应软土地基地质条件。

采用自平衡连拱体系的较大跨度中承式拱桥多配合无主梁的“横梁+桥面板”桥道系形式，通常将较大跨一孔的矢跨比做大以减小大跨的水平推力，并通过边拱来平衡主拱产生的水平推力，亦常在两边跨端部横梁之间设置柔性系杆来平衡恒载作用下连拱剩余的水平推力（见图2）。广州丫髻沙大桥、武汉市江汉五桥、南昌生米大桥即采用自平衡连拱体系，其总体设计参数、构造形式见表2。

图1 单跨无铰拱体系

表1 已建有推力单拱体系大跨度中承式拱桥总体设计参数及构造形式

图2 自平衡连拱体系

表2 已建自平衡连拱体系大跨度中承式拱桥设计参数及构造形式

1.3 自平衡刚构式连拱体系

边跨主梁与边拱肋、桥面以下主拱肋、拱上立柱组成刚性三角区，主梁为承受轴向压力与竖向弯曲的压弯构件；桥面以上主拱肋与三角刚构在拱、梁处固结成为一体；中跨系梁通过竖吊杆悬吊在主拱圈上,可通过牛腿与边跨形成简支挂孔结构，也可在与主拱及中横梁相交处设置支座、伸缩缝及阻尼器,成为一个独立的漂浮体系，无轴向压力,只承受竖向弯曲；在两边跨端横梁间张拉水平拉索，相当于系梁的体外索，通过张拉桥面预应力索，可使中墩基础的水平反力在恒载作用下趋于0，只承受温度、车辆等活载产生的水平推力，如图3所示。上海卢浦大桥即采用该种结构体系，其总体设计参数、构造形式见表3。

图3 自平衡刚构式连拱体系

1.4 刚构与下承式拱组合体系

与刚构挂孔体系类似，边跨主梁与边拱肋、桥面以下主拱肋组成刚性三角区，根据边主梁的承载情况确定是否设置拱上立柱，边跨“刚构”相对于拱座，具有强大的刚度，为主跨中间钢拱肋提供延性支撑，减小主拱跨度；桥面以上主拱肋与三角刚构在拱、梁处固结成为一体或通过牛腿支承在两边刚性三角区上。

不同之处为，通过张拉中跨间系杆平衡主拱的水平推力，桥面以上主拱肋与中跨主梁形成下承式系杆拱桥；而边跨系杆一部分用于平衡主拱的水平推力，另外一部分作为三角刚构的体外预应力平衡作用在前悬臂上的集中作用力，如图4所示。重庆菜园坝长江大桥、广州新光大桥即为此种体系，其总体设计参数、构造形式见表3。

图4 刚构与下承式拱组合体系

表3 已建刚构体系大跨中承式拱桥设计参数及构造形式

1.5 具有梁桥支承体系的连拱结构

主梁分别在与边拱肋、主拱肋交汇处固结，另外通过立柱、吊杆与拱肋相连，做成拱梁固结体系。在构造上可以处理成完全无水平多余约束或在成桥后才形成多余约束两种方式。因此，即使有水平多余约束也在桥梁建成后起作用，而大部分永久荷载并不引起水平推力。从结构内部受力情况来看，荷载在拱与梁中产生的内力大部分转变为它们之间所形成的自平衡体系的相互作用力；拱的水平推力与梁的轴向拉力相互作用，拱与梁截面的总弯矩等效为主要由拱受压、梁受拉的受力形式，剪力则主要成为拱压力的竖向分力，如图5所示。该体系用于刚度要求较高的大跨度桥梁时，常见于中承式连续钢桁架拱桥，如刚建成的重庆朝天门长江大桥、南京大胜关长江大桥，其总体设计参数、构造形式见表4。

图5 具有连续梁桥支承体系的连拱结构

表4 已建具有梁桥支承体系的连拱结构大跨中承式拱桥设计参数及构造形式

2 结语

本文将大跨度中承式拱桥的结构体系归结为有推力单拱体系、自平衡连拱体系、自平衡刚构式连拱体系、刚构与下承式拱组合体系、具有梁桥支承体系的连拱结构等5种结构体系，并分析了这5种结构体系的受力、传力规律。结合已建实际工程案例，总结了各体系总体设置参数及构造形式。通过本文，希望可以加强对中承式拱桥结构体系更高层面上的认识，了解中承式拱桥不同结构体系的力学特性，亦可为大跨度中承式拱桥设计提供参考。

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