一种具有张拉形式的创新拱结构桥梁

王思颖 陆天成 杨闰诏 张智超 张昊嘉 颜喜林

摘 要：在传统拱结构的基础上，基于张弦结构原理，通过添加撑杆和拉索，依靠撑杆对桥体的预应力，减少拱结构在压力下的弯矩，以减少桥体载荷下的挠度。最终得到一种具有张拉形式的创新拱结构桥梁。基于创新设计，建立实物桥梁模型，并对其进行加载实验，比较前后两种模型实验结果，实验证明张弦结构的新型拱结构桥梁拥有更好的承载能力，有效提升结构刚度与稳定性。

关键词：拱结构 预应力 张弦结构 创新桥梁结构

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0058-02

拱桥，作为我国的一种传统桥梁，始建于东汉中后期，已有1800余年的历史，由伸臂木石梁桥、撑架桥等逐步发展而成的。在形成和发展过程的外形都是曲的，所以古时常称为曲桥。中国拱桥建筑历史悠久，在古代桥梁中，以石拱桥为主要桥型。中国现存最早，并且保存良好的是隋代赵州安济桥，又称赵州桥。在1991年9月，赵州桥被美国土木工程师学会选定取为第十二个“国际土木工程里程碑”。

1 拱结构分析

在竖向荷载作用下，拱结构（如图1所示）是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线构件。拱结构由拱圈及其支座组成。支座可做成能承受垂直力、水平推力以及弯矩的支墩；也可用墙、柱或基础承受垂直力而用拉杆承受水平推力[1]。拱圈主要承受轴向压力，与同跨度的梁相比，弯矩和剪力较小，从而能节省材料、提高刚度、跨越较大空间。

拱结构主要以拱轴向压力形式传递荷载，传力途径短而明确，是结构效率高的平面结构体系。拱结构的一大缺点是对支座的外推力较大，对支座的锚固要求较高，并且拱结构的支座外推力随着跨度的增大而增大。当拱式体系用于大跨结构时，支座处理的困难也随之加大[2]。

2 创新原理

张弦结构是由上弦刚性压弯构件（或结构）与下弦柔性索组合，通过合理布置撑杆而形成的自平衡受力体系[3]。关于张弦结构的本质，即在受拉构件上施加预应力，通过连接上、下弦的撑杆传力，使上部结构产生反挠度，从而减小荷载作用下的最终挠度，改善上部构件的受力状态，改变弯矩分布，降低弯矩峰值，并通过调整受拉构件的预应力，减小结构对支座端产生的水平推力，使之成为自平衡体系[4]。

若在原有拱桥的基础上，加入撑杆和拉索，使原先传统的拱结构与弦和撑杆组成一个刚柔结合的杂交体系。通过撑杆对弦施加预应力以使拱产生与荷载作用时相反的位移，从而部分抵消外载的作用，所以拱结构结合张弦结构能充分发挥拱型及索材优势[5]。

3 实验验证

3.1 原始模型

根据传统拱桥的结构，我们建立了类似拱桥的模型作为原始模型，原始模型设计如图3所示。

对桥梁模型进行加载实验，测量该模型加载前后的各个结点位置，数据记录如表1所示。

3.2 创新结构模型

由对原始模型进行实验加载前后测量得的实验数据进行分析可以看出，原始桥梁模型加载后，其中心结点C的挠度最大，故我们对原始桥梁模型进行加固，在其中心结点C位置处架上撑杆，撑杆长200mm，并以拉索连接两侧桥体，形成局部张弦结构的。加固后桥梁创新结构如图4所示。

在相同加载的前提下，分别测量加载前、加载后模型各个结点的位置，数据记录如表2所示。

比较两个模型实验数据，做出两者的测量点挠度折线图如图5所示。

由此可见，在相同加载条件下，加固后的创新结构桥梁模型比之原先的原始桥梁模型挠度大大减小，承载能力增强。

4 结论

经过实验验证，具有张弦结构的创新拱结构桥梁的优点，其弯矩和剪力都要比同跨度、同荷载的一般拱梁小得多，但其轴力则将增大。同时局部张弦结构中撑杆为桥体提供预应力，减少拱结构在压力下的弯矩，以减少桥体载荷下的挠度，与一般拱结构相比，张弦结构优化了力流，提高了效能。

参考文献

[1] 刘锡良，白正仙.张弦梁结构的有限元分析[J].空间结构，1998，4（4）：15-21.

[2] 白正仙，刘锡良.张弦梁结构受力性能的分析[J].钢结构，1998，13（4）：4-8.

[3] 刘开国.大跨度张弦梁式结构的分析[J].空间结构，2001，7（2）：39-43.

[4] 陈汉翔，舒宣武.预应力值对张弦梁结构受力性能的影响分析[J].华南理工大学学报：自然科学版，2003，31（5）：79-84.

[5] 陳荣毅，董石麟，孙文波.大跨度预应力张弦析架结构的设计与分析[J].空间结构，2003，9（1）：45-47.