本发明属于一种拱桥体系，具体涉及了一种新型上承式拱桥。
背景技术：
拱桥以承受轴向压力为主的拱圈或拱肋作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成。中国的拱桥始建于东汉中后期，已有一千八百余年的历史。河北赵州桥的“敞肩拱”是中国首创，其建于隋朝大业年间(公元605年－618年)，由著名匠师李春设计建造，距今已有约1400年的历史，是当今世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥。近代中国拱桥技术的不断创新与进步始于改革开放时期，经过几十年的发展与创新，我国的拱桥技术现已位居世界先进行列，拱桥不仅是我国最常用的一种公路桥梁型式，在高速铁路快速发展的今天，拱桥亦是铁路桥梁中跨越各种障碍的首选桥型。
拱式体系区别于其它体系的一大特点是，在竖向荷载作用下,其拱脚有水平推力的存在，而正是由于这个水平推力，使得拱内产生轴向压力，并大幅减小跨中弯矩，使它的主拱截面主要承受轴向压力，同时截面上的应力分布比受弯梁更加均匀，使主拱截面的材料强度得到充分发挥，跨越能力增大。
拱桥为桥梁基本体系之一，一直是大跨径桥梁的主要形式，拱桥也是我国最常用的一种桥梁型式，其式样之多，数量之大，为各种桥型之冠。拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造；大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造，以承受产生的力矩。拱桥可以按照不同的方式来进行分类，其中，按照桥面的位置可以分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥，上承式拱桥中又可按照拱上建筑的形式分为实腹式拱桥和空腹式拱桥。上承式拱桥目前最常用的结构有两大类：一类是普通型上承式拱桥，这类拱桥由拱肋、拱上传力构件、主梁组成，拱肋是主要承重结构；另一类是整体型上承式拱桥，这类拱桥则是由拱肋片和主梁组成，拱肋片是主要承重结构。上承式拱桥桥面系构造简单、施工方便，桥跨主要承重结构的宽度可以做得小一些(也可以密排)，因而节省墩台圬工；另外，桥上视野开阔。正因为上承式拱桥集众多优点于一身，使得该种桥型具有不俗的竞争力，尤其是在山区中修建桥梁时，上承式拱桥往往是最优选择。
拱桥在受力性能方面具有极大优越性，在造型上拥有良好的景观价值，目前世界上著名的上承式拱桥有，美国的新河峡大桥，该桥全长924m，主跨518m，为世界上跨径第三长的拱桥，桥面高出峡谷267米，是全美第一高，世界第二高的公路桥。克罗地亚的克尔克大桥，主跨390m，为大跨度钢筋混凝土拱桥。我国重庆万州长江公路大桥，主跨420m，是当时世界上跨径和规模最大的钢筋混凝土拱桥。在国内，高速铁路上最具代表性的上承式拱桥有沪昆高铁北盘江特大桥，主跨445m，大桥建成后，实现了“五大突破”，即钢筋混凝土拱桥最大跨径、高速铁路桥最大跨度、大跨度桥梁无砟轨道铺设技术、大跨度混凝土拱桥工法和大跨度桥梁刚度控制工艺。云桂铁路的南盘江特大桥，主跨416m，是世界最大跨度客货共用高速铁路特大桥。
我国幅员辽阔，地形复杂，尤其是在西部山区，线路需穿越深邃的峡谷和险峻的山崖，在这种地形条件下修建桥梁，上承式拱桥具有极大的优越性。但是，随着跨径的不断增加，拱肋作为压弯构件其稳定性会快速下降，通常需要通过加强横撑或加大桥宽来提高面外稳定性，但对提高面内稳定性，目前还未见有效方法；上承式拱桥立柱自重较大，增加了拱肋负担，且立柱压力会对拱肋产生负面的非保向力效应，拱肋稳定性不足的问题更为突出。拱桥在受半跨荷载作用时，其“跷跷板”效应十分明显，这极大的威胁了列车高速安全行驶。时下我国高速铁路的建设正蓬勃发展，随着列车速度越来越快，拱桥的结构刚度已越来越不能满足高铁安全舒适运行的要求，如何使该体系桥梁获得更大的刚度以提高高铁速度和行车舒适性已成为近年来学者们研究的重要课题。目前用于桥梁的常规材料仅钢与混凝土两种，要实现桥梁创新，在材料创新上已捉襟见肘，而结构体系创新能从根本上改变结构的力学性能,从而突破结构自身的瓶颈，本发明正是通过增设v型结构件使传统上承式拱桥发生了质的飞跃。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有上承式拱桥存在的突出问题，提出一种新型上承式拱桥。本发明新增材料不多，在完全保留传统上承式拱桥优势的同时，可大幅提高结构的强度承载力、整体刚度、动力特性及稳定性，此外，本发明还可减小矢跨比，消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应，同时亦有很好的景观效果。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种新型上承式拱桥，主要由拱肋、主梁、立柱和桥墩组成；所述的立柱布置在拱肋和主梁之间；其中：在拱肋和主梁之间还设有若干个v型结构件，并且v型结构件从跨中向两边连续对称布置；所述的v型结构件主要由两根刚性斜杆组成，并且v型结构件的底部夹角θ取值在40°～120°之间；所述的v型结构件的顶端与主梁相连接，底端与拱肋相连接，即v型结构件与主梁或者拱肋形成三角形结构，通过三角形结构的角点对主梁及拱肋进行约束，保证有约束点落在原结构拱肋或主梁位移包络图的最大位移处及跨中位置处，使拱肋及主梁的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提高，同时v型结构件的连续布置还可减少结构的弯曲和剪切变形。
本发明新增材料不多，在完全保留传统上承式拱桥优势的同时，可大幅提高结构的强度承载力、整体刚度、动力特性及稳定性，此外，本发明还可减小矢跨比，消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。在本发明中作用于主梁上的荷载遵循以下传力路径：主梁→立柱/v型结构件→拱肋→基础。
本发明进一步说明，当新型上承式拱桥的跨径在300m以下时，在拱肋与主梁的两侧分别设置的v型结构件均为5个；当新型上承式拱桥的跨径在300m～450m时，在拱肋与主梁的两侧分别设置的v型结构件均为6～7个；当新型上承式拱桥的跨径在450m～650m时，在拱肋与主梁的两侧分别设置的v型结构件均为8～9个；当新型上承式拱桥的跨径在650m以上时，在拱肋与主梁的两侧分别设置的v型结构件均为10个以上(含10个)。
本发明进一步说明，所述的v型结构件从跨中向两边连续对称布置，具体为两两相邻的v型结构件的顶部相连接，并且最左侧的顶部和最右侧的顶部可分别与主梁的两侧端部相连接，也可分别与主梁和最外侧立柱的交界处相连接。即：从左往右计数，第一个v型结构件的左侧顶部与主梁的左侧端部相连接或与主梁和最左侧立柱的交界处相连接，第一个v型结构件的右侧顶部与第二个v型结构件的左侧顶部相连接，依次顺序连接，最后一个v型结构件的右侧顶部与主梁的右侧端部相连接或与主梁和最右侧立柱的交界处相连接。
本发明进一步说明，所述的新型上承式拱桥包括普通型上承式拱桥和整体型上承式拱桥，且采用空腹式拱上建筑，跨中无实腹段。
本发明进一步说明，所述的v型结构件的腰部设置横联；所述的横联的形状为一字型、横置k型或者米字型。
本发明进一步说明，所述的拱肋采用钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构；所述的v型结构件采用钢结构。所述的横联采用钢结构。
本发明进一步说明，所述的拱肋为内倾布置或者为平行布置。
本发明进一步说明，当新型上承式拱桥跨度较大时，所述的刚性斜杆可与相交叉的立柱进行连接。
本发明的优点：
1.提高结构强度承载力。本发明在活载作用下结构变形很小，故其应力水平较低。
2.提高结构刚度。在每条拱肋和主梁之间增加12或14根刚性斜杆与拱肋及主梁节段形成13或15个三角形结构，以三角形结构的角点对主梁约束，提高主梁的线刚度；底部则与拱肋相接，使拱肋的线刚度得到提高。因此结构的整体刚度大幅度提高。
3.提高结构稳定性。本发明的新型上承式拱桥增设刚性斜杆，使结构面内及面外稳定性均得到提高，尤其是面内稳定性。
4.改善结构动力特性。本发明的新型上承式拱桥动力特性改善效果明显，可让列车高速安全行驶，并保证舒适性。
5.本发明的新型上承式拱桥矢跨比可尽量做小。矢高减小后，可降低施工难度，同时又有利于结构抗震。
6.本发明的新型上承式拱桥可消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。
附图说明
图1是本发明中一实施例的新型上承式拱桥的布置形式1。
图2是本发明中另一实施例的新型上承式拱桥的布置形式2。
图3是图1和图2的俯视结构示意图。
图4是拱轴线与压力线的关系示意图。
图5是拱轴线的偏移量示意图。
图6是拱肋在恒载作用下的受力示意图。
图7是拱肋在恒载作用下的位移图。
图8是主梁在移动荷载作用下的位移包络图。
图9是非保向力系对拱稳定的影响的示意图。
图10是拱肋横向变形示意图。
图11是主梁横向变形示意图。
图12是拱桥受半跨荷载作用下的受力示意图。
图13是拱桥受半跨荷载作用下的“跷跷板”效应示意图。
图14是本发明受半跨荷载作用时对刚性斜杆的分析示意图。
附图标记：1-拱肋，2-主梁，3-v型结构件，4-立柱，5-桥墩。
具体实施方式
现结合图1-图14，对本发明的力学原理及其结构进行说明：
1.新型上承式拱桥的成桥说明
适时加入v型结构件以充分发挥其优越性：拱圈安装完毕后，再安装v型结构件及立柱，最后安装主梁，此时结构仍处于对称状态，因此仍保留了拱肋在恒载状态下的优点。另外，v型结构件与拱肋及主梁节段所形成的三角形结构不仅参与抵抗活载及其他荷载，达到在移动荷载下减少结构变形的目的，同时还参与抵抗部分恒载。
2.引进三角形理念对拱肋及主梁进行有效约束
三角形稳定性是基于三角形受节点力作用，使其处于轴向变形状态。然而，与其他结构不同的是，桥梁主要受移动荷载作用，这样就会使以上所形成的三角形受非节点力作用，从而在一定程度上降低三角形的稳定性，为此，需对主梁设置足够密的立柱，增加对主梁的弹性约束，提高其线刚度以减少弯曲变形，使多个连续三角形均能保证有良好的稳定性。基于以上分析，新型拱桥在主梁与每条拱肋间增设若干个v型结构件，使其与拱和梁段构成若干个连续的三角形结构，从而对主梁与拱肋进行有效约束，提高结构的整体刚度。
3.结合位移包络图合理布置三角形角点
3.1拱肋弯矩图分析
拱桥的主要优点在于采用拱轴线来减小弯矩，使其成为小偏心受压的结构。其受力特征为：拱顶受正弯矩作用，拱脚受负弯矩作用，1/4和3/4处为反弯点，一般情况下，拱轴线采用悬链线时，其与三铰拱结构自重压力线之间的关系如图4所示。根据“五点重合法”可确定m值，由拱顶弯矩为零及结构自重的对称条件知，拱顶仅有通过截面重心的结构自重推力hg，相应弯矩md＝0，剪力qd＝0。
在图4中，由∑ma＝0，得
由∑mb＝0，得
hgy1/4-∑m1/4＝0
将式(1-1)之hg代入上式，可得
式中：∑mj——半拱结构自重对拱脚截面的弯矩；
∑ml/4——拱顶至拱跨l/4点区域的结构自重对l/4截面的弯矩。
等截面悬链线拱主拱圈结构自重对l/4及拱脚截面的弯矩ml/4、mj可由《拱桥》表(ⅲ)-19查得。求得
空腹式拱桥的m值，仍按逐次逼近法确定。即先假定一个m值，定出拱轴线，作图布置拱上建筑，然后计算拱圈和拱上建筑的结构自重对l/4和拱脚截面的力矩∑ml/4和∑mj，根据式(1-2)求出
由力学知识得到，压力线与拱轴线的偏离会在拱中产生附加内力。对于静定三铰拱，各截面的偏离弯矩值mp可以三铰拱压力线与拱轴线在该截面的偏离值δy表示(mp＝hg×δy)；对于无铰拱，偏离弯矩的大小，不能以三铰拱压力线与拱轴线的偏离值表示，而应以该偏离值mp作为荷载，算出无铰拱的偏离弯矩值。由结构力学知，荷载作用在基本结构上引起弹性中心的赘余力为
式中：
mp——三铰拱结构自重压力线偏离拱轴线所产生的弯矩，mp＝hg×δy；
δy——三铰拱结构自重压力线与拱轴线的偏离值[如图(5)所示]。
由图(5)可见，δy有正有负，沿全拱积分
δm＝δx1-δx2×y+mp(1-6)
式中：y——以弹性中心为原点(向上为正)的拱轴纵坐标。
对于拱顶、拱脚截面，mp＝0，偏离弯矩为
式中：ys——弹性中心至拱顶之距离。
空腹式无铰拱桥，采用“五点重合法”确定的拱轴线，与相应三铰拱的结构自重压力线在拱顶、两l/4和两拱脚五点重合，而与无铰拱的结构自重压力线(简称结构自重压力线)实际上并不存在五点重合的关系。由式(1-7)可见，由于拱轴线与结构自重压力线有偏离，在拱顶、拱脚都产生了偏离弯矩。研究证明，拱顶的偏离弯矩δmd为负，而拱脚的偏离弯矩δmj为正，恰好与这两截面控制弯矩的符号相反。这一事实说明，在空腹式拱桥中，用“五点重合法”确定的拱轴线拱轴，偏离弯矩对拱顶、拱脚都是有利的。因而，空腹式无铰拱的拱轴线，用拱轴线比用结构自重压力线更加合理。由以上分析可知，由于a、c处弯矩的作用，可使拱轴线向压力线靠拢。
3.2拱肋变形分析
拱肋在恒载作用下的受力示意图及位移图分别如图6、7所示，其最大变形位置发生在c(即l/2)处，可见，在恒载作用下，拱肋的薄弱位置在拱顶处。
3.3主梁变形分析
主梁在移动荷载作用下的位移包络图如图8所示，其最大变形发生在b(即l/4附近)处。可见，在移动荷载作用下，主梁的薄弱位置在l/4附近、3l/4附近处。
3.4三角形角点的合理布置
结合以上对拱肋和主梁受力及变形特征的分析，三角形角点布置的方法是：通过三角形角点分别对拱肋和主梁进行约束，以提高它们的线刚度，且保证有约束点落在拱肋和主梁位移包络图的极值点处，使主梁或拱肋的薄弱处得到加强，改善结构的力学性能。
4.三角形腰边的线刚度
为了提高三角形腰边的线刚度，可考虑在各v型结构中部设置横联，从而保证构件的局部稳定性。
5.v型结构非保向力正效应分析
由以上分析可知，新型上承式拱桥的v型结构在为拱肋与主梁提供更好相互约束的同时，还可有效提高拱肋稳定性。提高面内稳定性是显而易见的，对面外稳定性的影响分析如下：
对于上承式拱桥，由于负面的非保向力效应的影响，稳定性较差，当拱肋发生侧倾时，立柱发生倾斜，其对拱肋压力的水平分力有加速拱肋失稳的趋势。对于本发明，当拱肋发生横向失稳时，v型结构受到主梁施加的水平约束而变成侧向倾斜，如图9～11所示，其拉力t对主梁端部产生了一个向外的水平分力，主梁端部在限位器的作用下不会发生位移，而对拱肋产生了一个向内的水平分力：h(x)：
其中，
由此可见，v型结构对拱肋的非保向力产生了正面效应，而本文拱桥增设了若干个v型结构，非保向力作用更加明显，从而侧向稳定性亦有所提高。
6.v型结构消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应分析
传统上承式拱桥在受半跨荷载作用时(如图12所示)其“跷跷板”变形(如图13所示)十分明显，受半跨荷载作用的一侧拱肋与主梁均发生向下变形，而另一侧两者却发生向上变形，这对列车行驶极为不利。
本发明在拱肋和主梁间设置v型结构，其在减小拱桥受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应分析如下：
传统拱桥拱肋在受活载作用时的位移包络图与主梁相似(如图8所示)，呈“w”型，即从支座到跨中，变形先增大后减小。加设v型结构后，在受半跨荷载作用时其分析示意图如图14所示。由图8包络图可知，主梁与拱肋在1/4跨和3/4跨附近竖向位移最大，而在不同跨度处两者存在刚度差，故由图14可知，远离中跨的a处竖向位移△a大于跨中b处竖向位移△b，此时连接a、b两点的1#杆件有向下的位移趋势，而由于连接b、c两点的2#杆件的约束作用，根据变形协调原理，2#杆件的位移趋势也向下，因此与其相连的未受半跨荷载作用下的一侧拱肋与主梁的位移趋势将向下而不会像传统拱桥发生上翘现象。由此可知，在非对称荷载作用下，v型结构能发挥积极的正效应，使拱肋与主梁能可以更好地协同工作，从而消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。
7.新型上承式拱桥整体协作原理
三角形稳定性基于三角形受节点力作用，使其处于轴向变形状态。当荷载作用于三角形的边上时，会产生弯曲或其它变形，此时，其稳定性会快速下降。本发明在主梁与拱肋间增设若干个v型结构，使其与拱和梁段构成多个且连续的三角形结构(在主梁两端立柱或拱上立柱参与形成三角形)，从而对主梁与拱肋进行有效约束，提高结构的整体刚度。桥梁与其他结构不同的是，其主要受移动荷载作用，这样就会使以上形成的三角形受非节点力作用，从而在一定程度上使三角形的稳定性降低，为此，需在主梁和拱肋间设置足够密的立柱，以增加对主梁的弹性约束，提高其线刚度，从而减少弯曲变形。由于拱肋的抗弯刚度远大于主梁，足以抵抗立柱的力所产生的弯曲变形，从以上分析可知，多个连续三角形均能保证有良好的稳定性。
下面结合图1、2和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。
实施例：
本实施例的新型上承式拱桥的跨度布置(主跨445m)均与沪昆高铁北盘江特大桥(总投资4.5亿元)相同。具体为：一种新型上承式拱桥，主要由拱肋1、主梁2、立柱4和桥墩5组成；所述的立柱4布置在拱肋1和主梁2之间；在拱肋1和主梁2之间还设有若干个v型结构件3，并且v型结构件3从跨中向两边连续对称布置；所述的v型结构件3主要由两根刚性斜杆组成，并且v型结构件3的底部夹角θ取值在40°～120°之间；所述的v型结构件3的顶端与主梁2相连接，底端与拱肋1相连接，即v型结构件3与主梁2或者拱肋1形成三角形结构，通过三角形结构的角点对主梁2及拱肋1进行约束，保证有约束点落在原结构拱肋1或主梁2位移包络图的最大位移处及跨中位置处，使拱肋1及主梁2的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提高，同时v型结构件3的连续布置还可减少结构的弯曲和剪切变形。本发明新增材料不多，在完全保留传统上承式拱桥优势的同时，可大幅提高结构的强度承载力、整体刚度、动力特性及稳定性，此外，本发明还可减小矢跨比，消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应，对高速铁路桥特别适用。具体比较方案如下：
采用如图1所示的结构形式时，在主梁的两侧均分别增设6个v型结构件。与沪昆高铁北盘江特大桥相比：本方案在主梁两侧分别增加了6个v型结构件，因此材料用量增加4％，但拱肋应力较沪昆高铁北盘江特大桥低，刚度显著提高，动力特性和稳定性也得到改善，故结构整体用料有所减少。因此，与沪昆高铁北盘江特大桥相比，新型上承式拱桥约可节省5％的费用。具体数据如下：新型上承式拱桥拱肋最大应力降低30％，刚度提高78％，稳定性提高了23％，首次发生面内振动的频率提高了47％。
采用如图2所示的结构形式时，在主梁的两侧均分别增设7个v型结构件。与沪昆高铁北盘江特大桥相比：本方案在主梁两侧分别增加了7个v型结构件，因此材料用量增加4.2％，但拱肋应力较沪昆高铁北盘江特大桥低，刚度显著提高，动力特性和稳定性也得到改善，故结构整体用料有所减少。因此，与沪昆高铁北盘江特大桥相比，新型上承式拱桥约可节省4.3％的费用。具体数据如下：新型上承式拱桥拱肋最大应力降低35％，刚度提高80％，稳定性提高了25％，首次发生面内振动的频率提高了48％。
实施例技术参数对比表