张弦结构的新型拱结构桥梁的可行性研究

杨季林 姚佳杰 俞钧凯 陈恩怡 李佳欢 颜喜林

摘  要：该文在传统拱结构的基础上，又基于张弦结构的原理，在拱腹下添加了张弦结构，通过拉索的预应拉力来平衡拱结构受压后的水平推力，以此来提升拱结构的承载能力，最后得到一个新型的拱结构桥梁。基于新型拱结构桥梁的设计，建立结构midas Civil三维模型并且控制其与传统拱结构的参数信息一致，并施加荷载。实验数据表明，新型拱结构的拉杆能够有效地平衡一部分水平推力，以此提升整体的承载能力、整体刚度和稳定性。

关键词：新型拱结构  预应拉力  张弦结构  桥梁

中图分类号：TU399                          文献标识码：A文章编号：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

拱结构的起源众說纷纭，一般认为拱结构最早出现在美索不达米亚和古埃及，之后逐渐地传遍全世界。关于拱桥，世界上第一座石拱桥名为阿尔坎塔拉桥，建于公元98年的古罗马，至今已有2000余年的历史。在世界范围内古罗马和中国都已建造拱桥著称，在中国最著名的拱桥为赵州桥。

1  拱结构

拱结构（见图1）主要在承受轴向压力后由两端拱座提供水平推力使整体平衡的曲形构件。在相同跨度的结构中，拱结构的弯矩小、刚度大而且相对比较节省材料。所以，在建筑工程中，如桥梁、屋顶结构经常采用拱结构。尤其是近十几年来，大跨度空间结构逐渐兴起，为大跨度拱结构的发展提供了平台。首先，在外荷载的作用下，拱结构主要产生轴向压力，所以需要用抗压性能较好的材料（如钢筋混凝土材料、石材等）来做拱结构。其次，当拱面收到载荷后，会将力以水平推力的方式传导给两端的支座，拱结构跨度越大，两端水平推力也将越大。现今解决拱支座水平推力的方法有利用地基基础直接承受两端水平力、利用侧面的框架结构来承受水平力或是使用拉杆结构来平衡水平力。所以该文的研究重点就是对于解决水平推力的研究。

2  具有张弦结构的新型拱结构

张弦结构的含义即为“首先将弦张拉再与梁组合起来”，现有的张弦结构主要有以下两种（见图2）。集中张弦结构虽然形状不大相同，但是结构类似，都是通过抗弯、受压构件和张拉构件组成，其定义为：用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，通过在抗拉构件上施加预应力，减轻压弯构件负担的自平衡体系。该文拱结构的设计理念是在传统拱形结构的基础上结合拉索和撑杆，组成一个由传统拱形结构和张弦结构组成的组合体。其原理是通过张弦结构产生水平力以抵消部分原本拱结构受压后的水平推力。

3  结构验证

该文基于midas Civil对于新型拱结构与传统拱结构在承受相同的荷载之后的变形程度进行研究分析，通过三维有限元模型建立并施加荷载能够更加直观地发现应力、变形较大的节点。

首先，使用midas Civil建立传统箱式拱结构和新型拱结构（见图3），跨度长50 m，结构高度为10 m。其次，为了使最终结论更具有科学依据，需要将两种拱结构选用材料以及截面尺寸以及两端连接条件等信息设置一致，所选材料均为钢筋混凝土（混凝土强度C30，钢筋抗拉等级1 720 MPa）。其中新型拱形结构的设计理念是，在3节点处竖直向下加上一根撑杆，在通过预应力拉索分别对称地连接两侧的桥体节点，使之成为一个局部的张弦结拱形结构。最后，分别在两种模型结构的节点1～5范围内施加竖直向下100 kg/m的均布线荷载，并观察两者的变形位移，数据见下表1。在对比两种拱形结构的变形位移数据后，制作出两者竖直方向上位移折线图。

由此可见，在材料、截面尺寸以及相同加载条件下，新型拱形结构各节点的位移相较传统拱形结构下了许多，承载能力得到了提升。

4  结语

通过midas Civil模型加载验证，具有局部张弦结构的新型拱结构在相同的加载环境下的变形、承载性、剪力都比相同材料、截面，相同跨度、高度的传统拱形结构的效果好。虽然新型拱形结构的自重会比传统拱形结构大，但是由于新型拱形结构的预应力拉索，能较好地抵消了拱形结构在受到载荷后产生的水平推力，以此增强了整体结构的承载性。

参考文献

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