張弦結構的新型拱結構橋梁的可行性研究

楊季林 姚佳杰 俞鈞凱 陳恩怡 李佳歡 顏喜林

摘? 要：該文在傳統拱結構的基礎上，又基于張弦結構的原理，在拱腹下添加了張弦結構，通過拉索的預應拉力來平衡拱結構受壓后的水平推力，以此來提升拱結構的承載能力，最后得到一個新型的拱結構橋梁。基于新型拱結構橋梁的設計，建立結構midas Civil三維模型并且控制其與傳統拱結構的參數信息一致，并施加荷載。實驗數據表明，新型拱結構的拉桿能夠有效地平衡一部分水平推力，以此提升整體的承載能力、整體剛度和穩定性。

關鍵詞：新型拱結構? 預應拉力? 張弦結構? 橋梁

中圖分類號：TU399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）10（c）-0050-03

Abstract： Based on the traditional arch structure and the principle of tension string structure， this paper adds a string structure under the spandrel. Through the prestressing tension of the cable to balance the horizontal thrust of the arch structure after compression， so as to enhance the bearing capacity of the arch structure， and finally get a new type of arch structure bridge. Based on the design of the new arch bridge， the Midas civil 3D model of the structure is established， and the parameter information of the structure is controlled to be consistent with the traditional arch structure， and the load is applied. The experimental data shows that the pull rod of the new arch structure can effectively balance a part of horizontal thrust， so as to improve the overall bearing capacity， overall stiffness and stability.

Key Words： New arch structure; Prestressing tension; Tension string structure; Bridge

拱結構的起源眾說紛紜，一般認為拱結構最早出現在美索不達米亞和古埃及，之后逐漸地傳遍全世界。關于拱橋，世界上第一座石拱橋名為阿爾坎塔拉橋，建于公元98年的古羅馬，至今已有2000余年的歷史。在世界范圍內古羅馬和中國都已建造拱橋著稱，在中國最著名的拱橋為趙州橋。

1? 拱結構

拱結構（見圖1）主要在承受軸向壓力后由兩端拱座提供水平推力使整體平衡的曲形構件。在相同跨度的結構中，拱結構的彎矩小、剛度大而且相對比較節省材料。所以，在建筑工程中，如橋梁、屋頂結構經常采用拱結構。尤其是近十幾年來，大跨度空間結構逐漸興起，為大跨度拱結構的發展提供了平臺。首先，在外荷載的作用下，拱結構主要產生軸向壓力，所以需要用抗壓性能較好的材料（如鋼筋混凝土材料、石材等）來做拱結構。其次，當拱面收到載荷后，會將力以水平推力的方式傳導給兩端的支座，拱結構跨度越大，兩端水平推力也將越大。現今解決拱支座水平推力的方法有利用地基基礎直接承受兩端水平力、利用側面的框架結構來承受水平力或是使用拉桿結構來平衡水平力。所以該文的研究重點就是對于解決水平推力的研究。

2? 具有張弦結構的新型拱結構

張弦結構的含義即為“首先將弦張拉再與梁組合起來”，現有的張弦結構主要有以下兩種（見圖2）。集中張弦結構雖然形狀不大相同，但是結構類似，都是通過抗彎、受壓構件和張拉構件組成，其定義為：用撐桿連接抗彎受壓構件和抗拉構件，通過在抗拉構件上施加預應力，減輕壓彎構件負擔的自平衡體系。該文拱結構的設計理念是在傳統拱形結構的基礎上結合拉索和撐桿，組成一個由傳統拱形結構和張弦結構組成的組合體。其原理是通過張弦結構產生水平力以抵消部分原本拱結構受壓后的水平推力。

3? 結構驗證

該文基于midas Civil對于新型拱結構與傳統拱結構在承受相同的荷載之后的變形程度進行研究分析，通過三維有限元模型建立并施加荷載能夠更加直觀地發現應力、變形較大的節點。

首先，使用midas Civil建立傳統箱式拱結構和新型拱結構（見圖3），跨度長50 m，結構高度為10 m。其次，為了使最終結論更具有科學依據，需要將兩種拱結構選用材料以及截面尺寸以及兩端連接條件等信息設置一致，所選材料均為鋼筋混凝土（混凝土強度C30，鋼筋抗拉等級1 720 MPa）。其中新型拱形結構的設計理念是，在3節點處豎直向下加上一根撐桿，在通過預應力拉索分別對稱地連接兩側的橋體節點，使之成為一個局部的張弦結拱形結構。最后，分別在兩種模型結構的節點1～5范圍內施加豎直向下100 kg/m的均布線荷載，并觀察兩者的變形位移，數據見下表1。在對比兩種拱形結構的變形位移數據后，制作出兩者豎直方向上位移折線圖。

由此可見，在材料、截面尺寸以及相同加載條件下，新型拱形結構各節點的位移相較傳統拱形結構下了許多，承載能力得到了提升。

4? 結語

通過midas Civil模型加載驗證，具有局部張弦結構的新型拱結構在相同的加載環境下的變形、承載性、剪力都比相同材料、截面，相同跨度、高度的傳統拱形結構的效果好。雖然新型拱形結構的自重會比傳統拱形結構大，但是由于新型拱形結構的預應力拉索，能較好地抵消了拱形結構在受到載荷后產生的水平推力，以此增強了整體結構的承載性。

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