一種具有張拉形式的創(chuàng)新拱結構橋梁

王思穎 陸天成 楊閏詔 張智超 張昊嘉 顏喜林

摘 要：在傳統(tǒng)拱結構的基礎上，基于張弦結構原理，通過添加撐桿和拉索，依靠撐桿對橋體的預應力，減少拱結構在壓力下的彎矩，以減少橋體載荷下的撓度。最終得到一種具有張拉形式的創(chuàng)新拱結構橋梁。基于創(chuàng)新設計，建立實物橋梁模型，并對其進行加載實驗，比較前后兩種模型實驗結果，實驗證明張弦結構的新型拱結構橋梁擁有更好的承載能力，有效提升結構剛度與穩(wěn)定性。

關鍵詞：拱結構 預應力 張弦結構 創(chuàng)新橋梁結構

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0058-02

拱橋，作為我國的一種傳統(tǒng)橋梁，始建于東漢中后期，已有1800余年的歷史，由伸臂木石梁橋、撐架橋等逐步發(fā)展而成的。在形成和發(fā)展過程的外形都是曲的，所以古時常稱為曲橋。中國拱橋建筑歷史悠久，在古代橋梁中，以石拱橋為主要橋型。中國現存最早，并且保存良好的是隋代趙州安濟橋，又稱趙州橋。在1991年9月，趙州橋被美國土木工程師學會選定取為第十二個“國際土木工程里程碑”。

1 拱結構分析

在豎向荷載作用下，拱結構（如圖1所示）是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線構件。拱結構由拱圈及其支座組成。支座可做成能承受垂直力、水平推力以及彎矩的支墩；也可用墻、柱或基礎承受垂直力而用拉桿承受水平推力[1]。拱圈主要承受軸向壓力，與同跨度的梁相比，彎矩和剪力較小，從而能節(jié)省材料、提高剛度、跨越較大空間。

拱結構主要以拱軸向壓力形式傳遞荷載，傳力途徑短而明確，是結構效率高的平面結構體系。拱結構的一大缺點是對支座的外推力較大，對支座的錨固要求較高，并且拱結構的支座外推力隨著跨度的增大而增大。當拱式體系用于大跨結構時，支座處理的困難也隨之加大[2]。

2 創(chuàng)新原理

張弦結構是由上弦剛性壓彎構件（或結構）與下弦柔性索組合，通過合理布置撐桿而形成的自平衡受力體系[3]。關于張弦結構的本質，即在受拉構件上施加預應力，通過連接上、下弦的撐桿傳力，使上部結構產生反撓度，從而減小荷載作用下的最終撓度，改善上部構件的受力狀態(tài)，改變彎矩分布，降低彎矩峰值，并通過調整受拉構件的預應力，減小結構對支座端產生的水平推力，使之成為自平衡體系[4]。

若在原有拱橋的基礎上，加入撐桿和拉索，使原先傳統(tǒng)的拱結構與弦和撐桿組成一個剛柔結合的雜交體系。通過撐桿對弦施加預應力以使拱產生與荷載作用時相反的位移，從而部分抵消外載的作用，所以拱結構結合張弦結構能充分發(fā)揮拱型及索材優(yōu)勢[5]。

3 實驗驗證

3.1 原始模型

根據傳統(tǒng)拱橋的結構，我們建立了類似拱橋的模型作為原始模型，原始模型設計如圖3所示。

對橋梁模型進行加載實驗，測量該模型加載前后的各個結點位置，數據記錄如表1所示。

3.2 創(chuàng)新結構模型

由對原始模型進行實驗加載前后測量得的實驗數據進行分析可以看出，原始橋梁模型加載后，其中心結點C的撓度最大，故我們對原始橋梁模型進行加固，在其中心結點C位置處架上撐桿，撐桿長200mm，并以拉索連接兩側橋體，形成局部張弦結構的。加固后橋梁創(chuàng)新結構如圖4所示。

在相同加載的前提下，分別測量加載前、加載后模型各個結點的位置，數據記錄如表2所示。

比較兩個模型實驗數據，做出兩者的測量點撓度折線圖如圖5所示。

由此可見，在相同加載條件下，加固后的創(chuàng)新結構橋梁模型比之原先的原始橋梁模型撓度大大減小，承載能力增強。

4 結論

經過實驗驗證，具有張弦結構的創(chuàng)新拱結構橋梁的優(yōu)點，其彎矩和剪力都要比同跨度、同荷載的一般拱梁小得多，但其軸力則將增大。同時局部張弦結構中撐桿為橋體提供預應力，減少拱結構在壓力下的彎矩，以減少橋體載荷下的撓度，與一般拱結構相比，張弦結構優(yōu)化了力流，提高了效能。

參考文獻

[1] 劉錫良，白正仙.張弦梁結構的有限元分析[J].空間結構，1998，4（4）：15-21.

[2] 白正仙，劉錫良.張弦梁結構受力性能的分析[J].鋼結構，1998，13（4）：4-8.

[3] 劉開國.大跨度張弦梁式結構的分析[J].空間結構，2001，7（2）：39-43.

[4] 陳漢翔，舒宣武.預應力值對張弦梁結構受力性能的影響分析[J].華南理工大學學報：自然科學版，2003，31（5）：79-84.

[5] 陳榮毅，董石麟，孫文波.大跨度預應力張弦析架結構的設計與分析[J].空間結構，2003，9（1）：45-47.