拉杆拱桥的制作方法

本实用新型属于一种拱桥体系，具体涉及了一种拉杆拱桥。

背景技术：

拱桥是人类最早也是最广泛使用的桥型之一。拱桥具有悠久的历史,其造型美观、结构轻巧、跨越能力大。由于在竖向荷载作用下拱的两端支承除了受竖向反力外,还将受到水平推力的作用,使得拱内弯矩大大减小。拱为主要承受压力的结构,因此可以充分发挥材料的特性,被广泛应用于桥梁工程、水利工程以及建筑工程中。拱是一种独特的结构形式,它可以清晰地表现出力流和美学的外观。

拱式结构体系作为一种古老的桥式以其跨越能力大、可就地取材、造价经济、养护维修费用少、造型美观等特有的优势而成为建筑历史最悠久、竞争力较强,并且长盛不衰,不断发展的桥梁结构体系。即使在当代,拱桥仍是我国已建成桥梁的主要桥型,其形式之多、建设地域之广,堪称世界之最。

拱桥有许多种分类方式，按照桥面的位置可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥，其中，上承式拱桥又可分为两大类：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。上承式拱桥的优点主要有：施工方便、桥上视野开阔，主梁构造简单，可充分利用拱肋截面材料强度来增大跨越能力，桥跨主要承重结构的宽度可以做得更小，从而节省墩台圬工减少造价等，正因为具有众多优点，上承式拱桥直到现在仍然是我国公路和铁路上使用较为广泛的一种桥型。

世界桥梁历史告诉我们，拱桥，尤其是上承式拱桥在整个桥梁的发展过程中占据着举足轻重的位置。我国古代的石拱桥曾闻名于世，其中最具代表性的是李春在河北赵县修建的赵州桥,该桥修建于公元605年左右,净跨37.02m,宽9m。该桥构思巧妙,工艺精湛,历经1400多年而无恙,被誉为“国际土木工程里程碑建筑”。在近代，上承式拱桥在桥梁建设中也有许多经典。比如位于美国西弗吉尼亚州费耶特维尔附近的新河峡大桥，长924米，跨径518米，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。我国万州长江公路大桥建在现重庆市万州区黄牛孔子江江面，是长江上第一座单孔跨江公路大桥，是当时世界上跨径和规模最大的钢筋混凝土拱桥。位于克罗地亚首都萨格勒布西南的克罗地亚克尔克大桥，主跨390米，为大跨度钢筋混凝土拱桥。

上承式拱桥虽然有着许多优点，但是也存在许多不足之处，首先，随着拱桥跨度的不断突破，拱肋作为压弯构件其稳定性会快速下降，通常可以通过加强横撑或加大桥宽来提高面外稳定性，但仍缺少有效的方法提高其面内稳定性；上承式拱桥由于立柱自重较大，增加了拱肋负担，且立柱压力对拱肋产生了负面的非保向力效应，拱肋稳定性不足的问题更为突出。其次，上承式拱桥常应用于山区高速铁路桥的建设中，高速铁路对上承式铁路拱桥的刚度提出了严格的要求，如何使拱桥获得更高的刚度是提高列车行驶速度和行车舒适性的重要课题。

为了提高上承式拱桥的刚度及稳定性，使上承式拱桥在竞争中获得长足发展，只能在结构上寻求新的突破。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有上承式拱桥存在的突出问题，提出一种新的拱桥---拉杆拱桥。本实用新型在传统上承式拱桥的基础上，新增拉杆将主梁端部与拱肋1/4、3/4处进行连接，直接通过拉杆提供外力并且仅给1/4、3/4拱肋处增加弹性约束，加强了结构的整体性，大幅度改善了结构的力学特性，且未给拱肋带来任何负担。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种拉杆拱桥，主要由拱肋、主梁、拉杆、立柱、桥墩和桥台组成；所述的主梁两端支承于桥墩上，拱肋与桥台固结；所述的拉杆对称布置，上端与主梁端部相连接，下端与拱肋的1/4、3/4处连接，拉杆的竖向分力直接通过桥墩(或桥台)传给基础，水平分力由主梁平衡。所增加的拉杆既使得拱肋的计算跨径减小，又加强了拱肋的薄弱部位，同时分担了部分竖向荷载，从而结构的强度承载力和面内刚度得到改善。此外，拉杆拉力还对拱肋产生了正面的非保向力效应，提高了结构的面外稳定性。拉杆拱桥仅需增加少量材料，就可使结构的强度、刚度、稳定性、动力性能得到大幅改善，且其矢跨比也可做得更小以利于特大跨度拱桥的施工。

在本实用新型中，作用于主梁上的荷载遵循以下传力路径：主梁→立柱/拉杆→拱肋→基础。

作为本实用新型的进一步说明，所述的拱肋采用钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构；所述的拉杆为钢结构。拉杆截面与传统拉杆一致；拱肋、主梁、立柱和桥墩(或桥台)的截面及材料均与传统一致。

作为本实用新型的进一步说明，所述的拉杆拱桥的结构形式为上承式拱桥，包括普通型上承式拱桥和整体型上承式拱桥。

作为本实用新型的进一步说明，根据腹孔构造，所述的拉杆拱桥包括拱式拱上建筑和梁式拱上建筑。

作为本实用新型的进一步说明，当拉杆拱桥跨度较大时，所述的拉杆可与相交叉的立柱进行连接。

本实用新型的优点：

本实用新型的最大特征为增设了拉杆，对称布置，两端分别与主梁端部和1/4、3/4拱肋处连接。结构受力更加合理，力学性能更优，即仅增加了少量材料，就可使结构的刚度、稳定性、动力性能得到大幅改善，且施工方便、经济可行：

1.本实用新型通过增加拉杆，增加了拱肋的弹性约束，既减小了计算跨径，又分担了部分竖向荷载，同时结构的整体性还得到了增强。

2.本桥在保留了传统上承式拱桥的优点的前提下，有效降低了拱肋的应力水平，提高了强度承载力。

3.由于拉杆的作用，拱肋的薄弱部位得到加强，这在一定程度上提高了结构刚度，且改善了其动力特性。

4.本实用新型新增的拉杆可以有效提高拱桥的面内稳定性，同时拉杆拉力可产生正面的非保向力效应，故结构的面外稳定性得到了提高。

附图说明

图1是本实用新型中拉杆拱桥的结构示意图。

图2是本实用新型中拉杆拱桥的俯视结构示意图。

图3是拱轴线与压力线的关系示意图。

图4是拱轴线的偏移量示意图。

图5是拱肋在移动荷载作用下的位移包络图。

图6是局部分析示意图。

图7是非保向力系对拱稳定的影响的示意图。

图8是拱肋横向变形示意图。

图9是主梁横向变形示意图。

附图标记：1-拱肋，2-主梁，3-拉杆，4-立柱，5-桥墩。

具体实施方式

现结合图1-图9，对本实用新型的力学原理及其结构进行说明：

1.本实用新型的成桥说明

本实用新型可根据受力需要分成两种成桥方法：

(1)按普通上承式拱桥成桥后，再安装拉杆；

(2)拱肋完成安装后，直接安装拉杆，再安装立柱和主梁。

由此可见，本实用新型并未增加施工难度，且极易成桥。

2.拉杆的设置

2.1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3所示。根据“五点重合法”可确定拱轴线的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3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。求得之后，可由下式反求m，即：

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yl/4/f，然后利用式(1-3)算出m值，如与假定的m值不符，则应以求得的m值作为新假定值，重新计算，直至二者接近为止。应当注意，用上述方法确定空腹拱的拱轴线，仅与其三铰拱结构自重压力线保持五点重合，其他截面，拱轴线与三铰拱结构自重压力线都有不同程度的偏离。计算证明，从拱顶到l/4点，一般压力线在拱轴线之上；而从l/4点到拱脚，压力线则大多在拱轴线之下。拱轴线与相应三铰拱结构自重压力线的偏离类似于一个正弦波(图4)。

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4所示]。

由图4可见，Δy有正有负，沿全拱积分的数值不大，由式(1-4)知，ΔX1

数值较小。若则ΔX1＝0。由计算得知，由式(1-5)决定的ΔX2恒为

正值(压力)。任意截面之偏离弯矩(图4)为

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。

2.2拱肋变形分析

在移动荷载作用下，拱肋在移动荷载作用下的位移包络图如图5所示，从图中可以看出位移最大的截面位于1/4、3/4。

2.3约束点的选取

结合以上拱肋受力及变形特征，对拱肋选取1/4、3/4作为弹性约束点，既是对拱肋薄弱部位的加强，又减小了其计算跨度，且有效地加强了结构的整体性。此外由成桥顺序可知，本实用新型在很大程度上还保留拱的受力特征。

3.结构的强度分析

拉杆两端分别与主梁端部和1/4、3/4拱肋处连接，其竖向分力直接通过桥台或桥墩传给基础，水平分力由主梁平衡，可见本实用新型主要借助外力给拱肋减轻负担。如图6所示，取拱肋左1/4部分作为隔离体进行分析，1/4截面处存在水平力H、竖向力V和弯矩M，拉杆的作用相当于一个弹簧约束，其产生的弯矩与该拱脚截面控制弯矩的符号相反。由此可见，该弯矩对拱肋受力有利，从而使结构的强度得到提高。

4.新增拉杆的非保向力正效应分析

由以上分析可知，新增拉杆有利于减少拱肋的变形，还有提高拱肋稳定性的作用。提高面内稳定性显而易见的，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。由于拉杆拱桥设置了拉杆，当拱肋侧倾后，拉杆亦发生倾斜，如图7～9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，

拉杆对拱肋的非保向力产生了正面效应，提高了拉杆拱桥的面外稳定性。

5.与现有CN201710016939.0、CN200410021652.X技术的对比分析

现有的CN201710016939.0技术在上承式混凝土拱桥主拱圈拱肋下方先设置反拱，后用斜杆将反拱和拱肋相连，反拱的设置使拱轴线受到破坏，还增加了恒载，其施工复杂，不易成桥，目前工程上应用较难实现。

现有CN200410021652.X技术其主要特征为连续桁架拱桥，在全跨内布置刚性腹杆，主要有以下几点不利之处：

(1)在全跨内布置刚性腹杆使得整个结构更具有桁架的特征，拱的受力特征减弱，结构应力水平较大；

(2)整个结构的超静定次数增加，在温度作用下结构拱肋应力水平明显增加；

(3)与本实用新型相比，其用钢量增加，经济性较差，且结构恒载较大，同样造成应力水平偏大；

(4)当跨度增大时，结构稳定性明显下降，用钢量亦急剧增加；

(5)此外，其施工难度大，不易成桥。综合考量之下，以上技术对上承式拱桥力学性能的提高贡献不大，经济跨径较小。

本实用新型的最大特征为直接通过拉杆提供外力仅给1/4、3/4拱肋处增加弹性约束，加强了结构的整体性，大幅度改善了结构的力学特性，且未给拱肋带来任何负担。拉杆对称布置，两端分别与主梁端部和1/4、3/4拱肋处连接，其竖向分力直接通过桥台或桥墩传给基础，水平分力由主梁平衡，可见本实用新型主要借助外力给拱肋减轻负担，而现有技术CN201710016939.0、CN200410021652.X公开的技术方案主要靠拱肋内力重分布来改善结构，效率较低。所增加的拉杆既使得拱肋的计算跨径减小，又加强了拱肋的薄弱部位，同时分担了部分竖向荷载，从而结构的强度承载力和面内刚度得到改善。此外，拉杆拉力还对拱肋产生了正面的非保向力效应，提高了结构的面外稳定性。拉杆拱桥仅需增加少量材料，就可使结构的强度、刚度、稳定性、动力性能得到大幅改善，且其矢跨比也可做得更小以利于特大跨度拱桥的施工。

综上所述，本实用新型与现有CN201710016939.0、CN200410021652.X所公开的技术方案在力学原理、及结构形式等方面均有明显不同，前者经济性更好，跨越能力更强，各项力学性能指标亦更好。

实施例：

本实施例的拉杆拱桥的跨度布置均与重庆万州长江大桥(总投资1.68亿元)相同。具体为：一种拉杆拱桥，主要由拱肋1、主梁2、拉杆3、立柱4和桥墩5组成；所述的拉杆3对称布置，上端与主梁2端部相连接，下端与拱肋1的1/4或3/4处连接，拉杆3的竖向分力直接通过桥墩5传给基础，水平分力由主梁2平衡。所增加的拉杆3既使得拱肋1的计算跨径减小，又加强了拱肋1的薄弱部位，同时分担了部分竖向荷载，从而结构的强度承载力和面内刚度得到改善。此外，拉杆3拉力还对拱肋1产生了正面的非保向力效应，提高了结构的面外稳定性。拉杆拱桥仅需增加少量材料，就可使结构的强度、刚度、稳定性、动力性能得到大幅改善，且其矢跨比也可做得更小以利于特大跨度拱桥的施工。具体比较方案如下：

如图1所示，并采用上述的结构形式，拱肋矢跨比为1/5，两侧增设拉杆。与重庆万州长江大桥相比：本方案的拱肋受力基本相同，故拱肋面积基本不变；主梁、立柱及立柱间截面相同，故材料用量一致；新增的拉杆仅增加了约1000吨的用钢量，此费用综合下来整座桥所增加的造价约为170万元。但是拉杆拱桥的刚度提高了21％；一阶面内稳定性提高了32％；首次发生面内振动的频率提高了15％；强度承载力提高0.4％。

实施例技术参数对比表