斜跨拱桥受力性能分析王辉

斜跨拱桥受力性能分析王辉

王辉

天津城建设计院有限公司天津市300122

摘要：随着社会对桥梁美学属性的迫切需求促使了各种景观桥梁的产生。拱式桥具有丰富的艺术表现形式，因此造型各异的拱桥应运而生。斜跨拱桥是采用单根拱肋与行车道主梁斜交的形式跨越桥面系，拱与桥面仅通过吊索连接的一种新型拱桥。本文对斜跨拱桥受力性能进行了阐述，分析了这种拱桥的受力行为与传统拱桥相比存在的不同，以及由此带来的设计及施工上与传统拱桥存在的差异。

关键词：景观桥梁斜跨拱受力性能

1.斜跨拱桥的由来

随着生产力的飞速发展以及科学技术不断进步，人们对美好生活的向往也反映在对城市人居环境的提出的高要求。而桥梁的建筑美学功能在城市中的地位也随之提升到一个新的高度，人们对桥梁建筑结构的合理性与美观的要求的探索也愈加多样化。

社会对桥梁美学属性的迫切需求促使了各种景观桥梁的产生，这其中，有很大一部分属于异型拱桥。在桥梁美学界，拱桥以其强劲的力度感加之优美的曲线造型，具有较强的艺术表现力，一直受到人们的关注和推崇。拱式桥具有丰富的艺术表现形式，加之对桥梁美学的需求更加促使了各种结构合理、造型美观的新型拱式结构的产生。于是出现了各种造型奇特的异型拱桥，如西班牙的LaBarqueta斜靠拱桥，英国的蝴蝶桥等。传统的拱桥拱肋与行车道平行，拱肋是以面内受压为主的结构。西班牙坎波人行桥和英国Humle桥采用了单根拱肋与行车道主梁斜交的形式跨越，形成了斜跨拱桥，拱与桥面仅通过吊索连接。此后，日本东京羽田机场跨线桥、台湾猫罗溪桥则采用了以一根与行车道垂直的大拱肋通过拉索吊住桥面，这种桥常被人们称为“拱塔斜拉桥”。随后这种异型拱桥如雨后春笋般在世界各地建设开来。

2.斜跨拱桥受力特点

传统拱桥与桥面系基本在同一个竖直平面内，按照桥面的位置可以把拱桥分为上承式拱桥，中承式拱桥和下承式拱桥。这里拱桥的拱主要承受桥面系带来的恒载和活载以及拱本身的自重，拱的吊杆布置在拱平面内，拱以受压为主，而桥面系以承受局部弯曲为主。而斜跨拱桥，首先拱与桥面系不在同一个平面内，一般情况下拱与桥面系分离，拱和主梁靠吊索连接在一起，因此该拱更像是“拱塔”，这也造成了斜跨拱桥沿桥面两侧布置的吊索呈现非对称布置，大部分为了行车及景观布置的需要，布置成反对称形式，造成斜跨拱桥的拱与吊杆很难在一个平面上，拱会承受一定的面外弯矩和扭矩。另外一个特征是斜跨拱成桥索力的确定与传统拱桥有明显不同。如果把梁和拱承担荷载的比例称为梁拱受荷比，那么恒载作用下的梁拱受荷分配与活载作用下有所不同，恒载作用下的梁拱受荷比可以通过吊杆的张拉力来调节，而活载的梁拱受荷比仅取决于拱肋和桥面系的刚度比。对于一般的拱桥，由于拱肋的刚度比较大，吊索张拉力的确定会单方面的根据主梁的受力情况进行调节，一般以主梁在吊杆处零位移或是最小弯矩为原则进行索力优化。但在斜跨拱桥的设计过程中，则可以采用一种新的设计思路，以让梁和拱的受力更加合理为目标，更大程度的发挥主梁的受力能力，同时减小拱肋的负担，让整个体系的受力更趋优化，在满足所需跨度的情况下使得拱梁的刚度分配更加合理。因此，恒载下的梁拱受荷比研究就需要从确定合理的吊杆的张拉力入手。

斜跨拱桥将拱面沿垂直面旋转，采用跨越的方式悬吊主梁，形成一种新的桥梁造型。斜跨拱一种方式是从梁一侧斜跨到另一侧，拱轴线与桥梁纵向成一定夹角；当跨越曲梁并且曲梁半径较小时，可以跨过曲梁凸出的部分，拱肋都在主梁一侧，这样的桥型类似外倾式拱桥，将拱肋沿着吊索一侧反方向倾斜，对加强拱肋的稳定性很有帮助。另外一种斜跨拱桥则是斜跨过整个桥面系，一般为了减小拱肋尺寸，主梁两侧悬吊的吊杆会分散锚固在拱肋上，如果主梁桥面较宽，会造成拱肋与主梁夹角增大，吊杆斜度增大，有时不仅会造成边吊索的布置影响通行净空，还会造成拱肋承受很大的面外弯矩，为了减小吊杆斜度，在设计上拱肋一般采用较大的矢跨比。

由于斜跨拱桥本身空间布置及其受力特性，不能与传统拱桥一样，采用先拱后梁的施工方案，大部分拱和梁都采用支架法施工。英国Hulme桥位于曼彻斯特南面，是曼彻斯特的现代派新型桥梁结构之一，跨越繁忙的PRINCESS路，计算跨径为50m，拱矢高为25m，矢跨比为1/2，桥宽17m，桥梁宽跨比为1/2.94。拱肋采用变截面钢箱断面，箱内设有横隔板和加劲肋。拱箱根据受力及造型需要，外表面从拱顶到拱脚由宽变窄，拱箱高度由矮变高，拱顶处为3m×0.7m的箱形截面，拱脚处变化为1.6m×1.5m的箱形截面。主梁为钢-混组合结构，桥面板为钢筋混凝土板。全桥设置了22根吊索，以拱顶为分界点，每侧布置11根，两侧吊杆分别从拱的两个半跨悬吊在主梁两侧，拱肋承受很大的横向弯矩，主梁则需承受两侧不平衡水平力以及竖向力，造成主梁的横弯与扭转，因此设计者设计拱肋采用较大的矢跨比，以减小拱及主梁的横向受力。主梁的钢梁分为3段预制，每段17m×17m，利用周末时间封住PRINCESS路后，临时支撑在支架上。拱肋分6段预制，在现场焊接合龙后张拉吊索力使得主梁脱架。

斜跨拱的拱肋承受竖弯与承压的几乎在同一级别，并且承受较大的横向弯矩与扭矩。随着吊杆斜度的增大，拱肋承受的横向弯矩也会增大，由此吊索的张拉力将由横向稳定性控制，而不能由承担主梁自重荷载的比例控制，拱肋本身也没有发挥承压的优势，使结构效率大大降低。

拱梁分离布置的斜跨拱，拱自成悬吊体系，并且拱为有推力体系，空间受力的拱肋为了保持足够的稳定性能，拱肋的刚度一般取得很大。拱梁分离导致桥面系主梁也需要一定的整体刚度才能行车。拱肋承受的桥面恒载比例大部分在50%~70%范围内，因此斜跨拱对梁的辅助作用较大，梁的高跨比与同跨径的梁桥相比也有所减小，但综合来说，斜跨拱桥的拱肋与主梁都处于空间受力状态，使得全桥用钢量大大增加，因此不宜用于大跨度桥梁。

3.结束语

拱式桥丰富的艺术表现形式满足了城市景观桥梁发展的需要，因此造型各异的拱桥应运而生。本文对斜跨拱桥的由来及其受力性能进行了阐述，分析了这种拱桥的受力行为与传统拱桥相比存在的不同，以及由此带来的设计及施工上与传统拱桥存在的差异。

参考文献：

[1]王辉.索辅梁桥结构体系及其性能研究[D].同济大学，2013.

[2]黄海云等.斜跨拱桥活载受力行为的试验研究[J].中山大学学报，2010.1.

[3]施洲，蒲黔辉，勾红叶.曲线梁-斜跨拱组合钢桥结构分析与试验研究[J].铁道建筑，2009（12）.