连续缆拱桥

连续缆拱桥

谢肖礼1王剑1邓俨峰1覃霞1

1.广西大学南宁市530004

摘要：提出一种新的桥梁结构体系——连续缆拱桥，其结构的主要特征是缆索两端锚固于边拱拱脚，主跨桥面荷载由拱肋与缆索共同承担，缆既是承重构件，又起到系杆作用；边拱既平衡了主拱水平推力，又起到锚碇作用，同时还独自承担了桥面荷载。本文给出了连续缆拱桥的具体的结构形式，并对其结构强度、刚度及稳定特性进行分析。研究表明，与相同跨度及截面的三跨连续拱桥相比，连续缆拱桥的稳定承载力及强度承载力大幅提高，刚度略有下降。此外，由于连续缆拱桥将缆与拱进行合理组合，使其更具刚柔之美。

关键词：连续缆拱桥；三跨连续拱桥；拱肋；锚碇；系杆；缆索

拱结构与悬索结构是天然存在的两种结构类型，拱结构受力以受压为主，具有很强的刚度，但跨越能力受其稳定性制约，且承重后产生的较大水平力需靠系杆或基础平衡。悬索结构以受拉为主，具有很强的跨越能力，但其结构刚度较低，且缆索承重产生的巨大水平力需靠锚碇平衡[1]。不同桥梁结构之间的组合，是近年来桥梁研究和创新的重要内容[2][3]。拱结构与悬索结构的组合，也取得了不少研究成果，但仍存在诸多问题有待解决[4][5]。在结构稳定性方面，组合体系在活载作用下的面内稳定性问题并不明显，而其面外稳定性问题仍然突出；在地震响应方面，由于复杂结构的振型多样性与耦合性的特点，也要对其进行详细的分析与研究。对桥梁极限跨度的探索也一直是桥梁研究的热点[6][7]，悬索桥最大跨径已达1991m[8]，而现有拱桥跨径未超过600m[9]，其跨度的进一步增加受到多种因素的制约：首先是材料性能，其是限制桥梁结构理论极限跨径的直接因素，轻质高强的新材料的出现往往能带来桥梁跨径的跨越式发展；其次是施工方法，如拱肋斜拉挂扣施工中大悬臂带来的风险；第三是经济性，当拱桥超过其经济跨径后，拱肋材料的用量将随着跨径的继续增加而快速增长；稳定性同样也是制约跨径增大的关键因素，特大跨径结构具有较强的几何非线性和材料非线性特征，拱肋作为压弯构件，其极限承载力常由稳定承载力所决定[10]。

为了保持拱结构和悬索结构的性能优势，尽量克服两种结构的缺点，本文提出一种新的桥梁结构体系——连续缆拱桥（如图1所示），其结构的主要特征是缆索两端锚固于边拱拱脚，主跨荷载由拱肋与缆索共同承担。该桥型利用边拱自重及其承担荷载后所产生水平推力与缆索承担荷载产生水平张力的在边拱拱脚处平衡，从而在较大程度上消除了原来两种结构存在的弊端。本文主要讨论连续缆拱桥的结构形式及力学原理，并对连续缆拱桥与三跨连续拱桥的结构强度、刚度和稳定特性进行对比分析，同时就边中跨比对连续缆拱桥的影响进行研究。

4结论

本文提出了一种新的桥梁体系——连续缆拱桥，并对其进行了深入分析与研究，得出以下结论：

（1）连续缆拱桥为部分有推力体系，在恒载作用下，可以通过调整垂跨比使全桥处于无推力状态；在活载单独作用下，主拱拱脚处会产生较小的水平推力。

（2）连续缆拱桥的主跨荷载由拱肋与缆索共同分担，缆既是承重构件，又起到系杆作用，边拱既平衡了主拱水平推力，又起到锚碇作用，同时还独立承担了边跨的桥面荷载。与三跨连续拱桥相比，连续缆拱桥强度承载力提高约30%，稳定性提高约50%，刚度下降约3%。

（3）连续缆拱桥的拱肋应力低于三跨连续拱桥，因此在让两种结构的拱肋最大应力值相等时，连续缆拱桥的拱肋材料用量较三跨连续拱桥会有较大幅度减少。连续缆拱桥在恒载作用下墩台不承受水平推力，故其对地质条件有更强的适应性，而三跨连续拱桥墩台存在较大推力。

（4）连续缆拱桥边中跨比对结构受力的影响较小，可根据实际需要进行布置，具有很强的适应性。

综上所述，与相同跨度及截面的三跨连续拱桥相比，连续缆拱桥的稳定承载力、强度承载力大幅提高，刚度略有下降。其既继承了悬索桥承载力高的特性，又继承了拱刚度大的特性，还增添了桥的美学价值。

参考文献

[1]肖汝诚.桥梁结构体系[M].人民交通出版社，2013.

[2]余海燕，孙全胜.斜拉拱式协作体系桥梁地震响应分析[J].世界桥梁，2016，（05）：67-70+82.

[3]张哲，王会利，黄才良，陈军，杜高明.自锚式斜拉—悬索协作体系桥梁设计与分析[J].公路，2006，（07）：44-48.

[4]李映，郭文復，陈艾荣.无锡五里湖大桥——拱梁与悬索组合结构[A].中国土木工程学会桥梁及结构工程分会、湖南省交通厅.第十六届全国桥梁学术会议论文集（上册）[C].中国土木工程学会桥梁及结构工程分会、湖南省交通厅：，2004：6.

[5]刘大庆.自锚式悬索桥与上承式拱桥组合体系桥梁地震响应分析[D].西南交通大学，2011.

[6]欧阳瑰琳，李华彬，肖向荣，吕鹏，夏争志，蒋望.地锚式独塔悬索桥的极限跨径研究[J].中外公路，2012，（06）：195-198.

[7]王剑.钢拱桥极限跨径研究[D].重庆交通大学，2012.

[8]金增洪.明石海峡大桥简介[J].国外公路，2001，（01）：13-18.

[9]段雪炜，徐伟.重庆朝天门长江大桥主桥设计与技术特点[J].桥梁建设，2010，（02）：37-40.

[10]陈宝春.钢管混凝土拱桥-第2版[M].人民交通出版社，2007.