系杆拱桥的研究与应用

【摘要】随着社会和交通快速发展，普通拱桥和梁桥已经无法满足人们的需求。系杆拱桥作为梁和拱的组合体系，具备跨度较大、结构刚度大和地基承载要求低等优点。本文首先介绍系杆拱桥的组成和特点；然后介绍系杆拱桥的三种形式；接着介绍系杆拱桥的布置形式；最后通过计算分析，得出斜吊杆拱桥具有竖向刚度大、内力分布均匀等优点。由于其具备独特的优势，系杆拱桥将会广泛运用于铁路和城市轨道桥梁中。

【关键词】系杆拱桥；吊杆布置；斜吊杆；竖向刚度

1、引言

简单体系拱桥结构具有刚度大、材料利用率高、能充分发挥圬工材料优势等优势，但其存在拱座处水平推力大，对地基承载能力要求高的缺点，而梁桥能够直接承受活载、对地基承载能力要求低等特点。系杆拱桥将梁和拱两种基本结构有机结合起来，充分发挥梁受弯、拱受压的结构特性及其组合作用。因此，研究系杆拱桥具有现实意义。

2、系杆拱桥特点

系杆拱桥由拱肋、系杆（或系梁）、吊杆（或立柱）、横撑、桥面系等结构组成。系杆拱桥上部结构简支与墩台上，体系中由系梁或系杆来平衡拱脚产生的水平推力，为外部静定、内部超静定无推力结构。系杆拱桥具备整体竖向刚度大、对地基条件要求低、建筑高度较低等优势。因此，在地基基础较差以及建筑高度受限的地区中，该结构极具竞争力。

3、系杆拱桥的分类

根据拱肋与系梁相对刚度的大小，系杆拱桥可分为三类：柔性系杆刚性拱（系杆拱）、刚性系杆柔性拱（郎格尔拱）、刚性系杆刚性拱（洛泽拱）。

（1）柔性系杆刚性拱—系杆拱

具有竖直吊杆的柔性系杆刚性拱称为系杆拱，一般来说，其拱和系梁相对的刚度 。组合体系以拱肋为主要受力体，其柔性系梁主要起着取代地基平衡拱的水平推力的作用，所承受的弯矩很小，可忽略不计，竖向荷载一般由桥面板传递到横梁上，然后通过吊杆传递到拱肋上。当跨径增加后，由于系梁的刚度相对较小，同时配合使用柔性吊杆，这使得桥面系具有很小的竖向刚度，汽车的行驶将会使桥面系产生较大的振幅，这将大大降低行车的安全性以及桥梁的耐久性。

（2）刚性系杆柔性拱—朗格尔拱

具有竖直吊杆的刚性系杆柔性拱称为朗格尔拱，朗格尔拱中其拱和系梁相对刚度 。组合体系以系梁为主要受力体，系梁不仅承受拱座水平推力，同时也承受荷载产生的弯矩，为拉弯组合构件。拱肋通过吊杆对主梁提供弹性支撑，使得主梁内力分布更均匀，能够有效降低主梁最大弯矩，为减小主梁高度提供理论支持。刚性系杆与吊杆、横撑组成了刚度较大的桁架，拱肋不会发生面内S形变形，在适用跨度内能够保证拱的稳定性。该形式常采用先梁后拱的施工方法，由梁单独承受自重，而后加的二期和活载则由组合体系共同承受。

（3）刚性系梁刚性拱—洛泽拱

具有竖直吊杆的刚性系杆刚性拱称为洛泽拱。一般来说，其拱和系梁的相对刚度 。洛泽拱为目前最常用的形式，其拱肋和系梁都具备一定的刚度，拱肋与系梁为刚性连接，这使得桥梁整体刚度较大。竖向荷载由拱肋和系梁共同承担，成桥时吊杆的内力值之和为拱肋分担的恒载大小，而活载则按照拱肋与系梁的竖向刚度比来分配。拱肋和系梁受力比较均匀，其尺寸可按照适当比例配合而达到外形协调，突出桥梁的美学效果。洛泽拱适用于设计荷载较大的公路桥梁、重载的铁路桥梁，以及公铁两用桥梁。

4、吊杆布置形式

系杆拱桥中，吊杆分为直吊杆、斜吊杆两种形式，直吊杆整齐美观，吊杆锚固点处构造简单，施工方便，斜吊杆锚固点处构造简单。按照吊杆布置原则可分为等间距吊杆布置、平行吊杆布置和径向吊杆布置等三种布置形式。

（1）等间距吊杆布置

吊杆上结点沿拱肋水平方向等间距的布置形式称为等间距吊杆布置，其中包括扇形布置形式以及单华伦桁式、双华伦桁式等。

（2）平行吊杆布置

吊杆与系梁等夹角的布置形式称为平行吊杆布置。这种吊杆布置形式是指吊杆沿系梁等间距布置，且每根吊杆与系梁的夹角保持不变。

（3）径向吊杆布置

吊杆上节点沿着拱肋弧长等距离分布，任何相连两吊杆上节点中心与吊杆交叉点的所有连线交于系梁下一点的布置形式称为径向吊杆式，可分为固定模式吊杆布置和径向等角吊杆布置。固定模式吊杆布置的吊杆上节点沿着拱肋等距离分布，下节点从跨中到L/4跨也等间距分布，但从拱脚到L/4跨，吊杆间距随着具体设计略有变化，同时增大拱脚与系梁拱端吊杆节点间距；径向等角吊杆布置的吊杆上节点也沿着拱肋等距离分布，且所有吊杆与拱肋的交角均相等，这样任何相连两吊杆节点中心与吊杆交叉点的所有连线将交于同一圆心。

5、斜吊杆与竖直吊杆受力分析

通过计算分析发现，在相同条件下，采用斜吊杆能够有效提高结构的竖向刚度，从而大幅度减小结构受力时的竖向扰度，同时由于斜杆能够减小拱桥的剪切变形，故斜吊杆拱桥能够满足铁路和城市轨道交通的需求。斜吊杆拱桥拱圈及系梁的轴力略大，但其拱肋所承受的弯矩有明显降低，内力变化更加均匀，这为斜吊杆拱桥设计等截面拱肋提供了理论支撑。但需要注意的是，相同使用情况下，斜吊杆的应力幅明显大于竖直吊杆。因为，需要注意斜吊杆使用时的疲劳问题。

结语：

系杆拱桥将拱和梁组合起来，充分发挥拱桥与桥梁的优点，在现代桥型中具备极大的竞争优势。系杆拱桥吊杆布置方式具有多样性，其中斜吊杆拱桥由于具备活载竖向扰度小、内力分布均匀等优点，其广泛应用于铁路和城市轨道交通桥梁。随着高铁和城市轨道的不断发展，系杆拱桥体系将会被广泛投入使用。

参考文献：

[1]彭桂瀚.钢管混凝土系杆拱桥吊杆布置形式对结构稳定与动力性能的影响[J].公路工程，2010，35（04）：31-36.

[2]徐岳，申成岳.下承式系杆拱桥结构体系内力分布优化分析[J].公路交通科技，2015，32（12）：67-74+87.

[3]張谢东，曹鹏，许精文.尼尔森体系系杆拱桥结构分析[J].桥梁建设，2009（06）：23-26.

作者简介：

王渝文，重庆交通大学 土木工程学院，重庆；

余漫，重庆交通大学 交通运输学院，重庆。