发布时间 : 星期六 文章《广义结构力学及其工程应用》 陈燊-13 - 图文更新完毕开始阅读7527e4d376eeaeaad1f330df
首选结构，著名的美国金门桥和跨径1990m居世界第一的日本明石海峡桥都采用了钢桁梁。
图13.3.1 福斯湾桥的力学原理
近年来中国发展了钢筋混凝土和预应力混凝土桁架，并应用于桥梁建设上。除了作悬索桥的加劲梁（如福建沙县和龙海的悬索桥）外，还建成双层桥面预应力混凝土连续刚构桁梁桥（如广西峦城大桥，图13.3.2）、预应力混凝土桁架式T型刚构桥（如福州洪山桥，图13.3.3）以及预应力混凝土斜拉式桁架桥（如福州洪塘大桥）。20世纪60年代末发展起来的钢筋混凝土桁架拱桥，将桁架作为拱上建筑，使传统的拱桥轻型化。并由此发展成新型的特大跨径的预应力混凝土组合桁架拱桥（详见§13.4）。
图13.3.2 双层预应力混凝土连续刚构 图13.3.3 预应力混凝土桁架式T型刚构
桁架便于现场拼装，在施工中作为混凝土现浇膺架、拱架和临时支架而得到广泛应用。工程抢险或施工便桥中常见的贝雷片就是一种装配式的桁架单元。建筑施工中不可缺少的起重设备构架，塔架，大跨度预应力混凝土屋架，会堂场馆的空间桁架和网架屋顶，电力工程中的高压输电塔，广播发射塔桅杆，甚至航天器、机器人的手臂都离不开桁架。
§13.4 常见拱结构
拱是杆轴线为曲线，且在竖向荷载作用下会产生水平推力（反力）的结构。由于推力的存在，拱截面的弯矩比同跨度、等荷载的梁的弯矩要小得多，并且主要承受压力。这时拱截面上的应力分布较均匀，因而更能发挥耐压的圬工材料（如砖、石、混凝土）的作用。另一些直杆结构虽有别于拱，但同样能在竖向荷载作用下产生水平推力，故称之为拱式结构，如三铰刚架、拱式桁架等。
桥梁工程中常用的拱有三铰拱、两铰拱和无铰拱，前者是静定结构，后两者是超静定结构。无铰拱在拱脚处与台座固结，便于无支架施工。为了使支座（或台座）不承受推力，可将上述三种简单拱的拱脚用系杆（柔性拉杆）连结或与桥梁行车道系组合共同受力，形成系杆拱。后者亦即拱梁组合结构，包括刚梁柔拱、刚梁刚拱（详见§15.2）。最常见的无推力
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简支拱梁组合结构为内部超静定、外部静定的体系，适用于软弱地基和平原地区。
欧美建筑中常用的拱顶（穹顶、屋顶）结构是承受压力的二维（圆柱状拱顶，如歌德式尖拱）或三维（球状拱顶）的拱，它是一维的杆拱向三维空间的延伸。 ● 实腹与空腹石拱
由天然形成的石拱到人们用离散的块体砌筑石拱桥，是人类科学文化发展进步的表现。各文明古国都保存有千百年前的石拱桥。古罗马时代遗留下来的水道桥以及欧洲中世纪留存的古老石拱桥大多是半圆形拱，虽是连拱，但宽厚桥墩足以承受拱的推力，使每一孔都能独立存在。我国古代也修建不少像玉带桥那样的圆弧形石拱桥，美不胜收。圆弧形拱轴线与恒载压力线偏离较大，使拱圈各截面受力不够均匀，难于向大跨径发展。但由于线形简单，施工简便，易被工匠接受。实腹石拱桥的合理拱轴线应是悬链线（详见§13.5）。
世界上最著名的割圆拱和敞肩（空腹）石拱桥当属我国隋朝修建的赵州桥（图1.1.2），保存至今近一千四百年，远远领先于欧美，被誉为“国际土木工程里程碑建筑”和“世界著名古石桥”。空腹拱既能减轻桥身自重，节省材料，又利于排洪，增加美感，
对于空腹拱桥，其相应的恒载压力线已不再是悬链线，而是一条在腹孔墩处有转折点的多段曲线，但这种偏离对主拱圈（多为板拱）控制截面的内力是有利的。用悬链线作主拱圈拱轴线，对各种拱上建筑的适应性较强，并有完备的图表可供利用。因此，在工程设计上，大、中跨径的拱桥多为空腹式拱桥，并广泛采用悬链线作拱轴线。
石拱桥自重较大，作为超静定推力结构对下部结构要求高，施工难度也大，从而使其跨越能力受到影响，近来才有了新的突破。2001年建成的山西晋城晋焦高速公路丹河大桥净跨146m，成为世界上最大跨度的石拱桥。1990年建成通车的湖南凤凰县乌巢大桥（主跨120m的双肋石拱桥，如图13.4.1所示，主拱圈由两条分离式矩形石肋和八条钢筋混凝土肋间横系梁组成，悬链线拱轴系数为1.543）曾保持此项世界纪录十余年。较著名的石拱桥还有解放后用土牛拱胎修建的延安延河桥（图13.4.2）。
图13.4.1 湖南乌巢石肋拱桥 图13.4.2 延安多跨空腹石拱桥
● 双曲拱
中国首创的双曲拱桥是具有民族风格的新型圬工拱桥。20世纪60年代发源于江苏无锡，很快就风靡全国。从最初的9m跨径到150m，从单跨到多跨，从有支架施工到无支架施工，从公路推广到铁路、渠道等工程结构。10年间建造400余座，总长30多万米，在设计理论、结构形式和施工工艺等方面都得到不断提高。
双曲拱桥的主拱圈横截面是由一个或数个小拱组成的，主拱圈在纵向（拱肋）及横向（拱波）均呈曲线形（单跨双肋时犹如自行车轮的挡泥板）故称双曲（图13.4.3）。双曲拱的拱肋有矩形、倒T形、U形和箱形等截面型式，经预制的拱肋、拱波拼装后，现浇拱板混凝土形成整体。由于这种截面的截面抵抗矩较相同材料用量的板拱大，因而节省材料。双曲桥形轻巧美观，结合了力量美和曲线美。它继承石拱桥传统技术，并吸取装配式钢筋混凝土结 构的优点。施工时“化整为零”，承受荷载时“集零为整”。下部结构施工和上部结构预制齐头并进，施工速度较快。
双曲拱是分阶段受力的薄壳结构，精确的理论分析较为复杂。由于该结构在工程上存在
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若干致命的缺点，如施工工序多，拱圈组合截面整体性差，容易开裂、变形（特别是活载较大的铁路桥），因此该桥型现已较少采用。目前我国跨径最大的双曲拱桥是位于河南省嵩县的前河大桥，单孔净跨150m，为上承式无铰空腹拱。
图13.4.3 无锡卫东双曲拱桥
● 箱形拱
箱形拱与板拱外形相似，但由于拱圈截面挖空，使箱形拱的截面抵抗矩较相同材料用量的板拱大得多。对于大跨径拱桥节省材料效果最为明显。由于闭口箱形截面的抗扭刚度大，使箱肋和拱圈整体性和结构横向稳定性均比双曲拱好（图13.4.4），特别适合于缆索吊装架设施工（现浇箱形拱，见图18.3.2），目前是国内外大跨度钢筋混凝土拱桥主拱圈的基本形式。主要缺点是箱形截面施工制作较复杂。建于1979年的南斯拉夫克尔克桥（主跨390m）是中国万县长江大桥（净跨420m）1997年建成以前，世界上跨度最大的箱型截面钢筋混凝土拱桥， 10151504148760/24148/218157200 图13.4.4 箱形拱横截面示意 ● 桁架拱
在安装和跨越能力方面钢拱桥优于钢筋混凝土拱桥。国外修建钢拱桥已有很长的历史，以钢桁架拱为主，如澳大利亚1932年建造的中承式的悉尼港桥（净跨503m，保持纪录达半个世纪之久，图13.4.5）和美国西弗吉尼亚州1977年建造的上承式新河谷公路桥（净跨518.2m），曾是跨度最大的拱式桥。我国20世纪90年代后成为世界产钢大国，具备了与列强竞争的条件，上海新近通车的中承式钢箱系杆拱桥卢浦大桥，是世界上惟一采用全焊接技术的全钢拱桥，它以主跨550m刷新由钢桁架拱保持的钢拱桥的世界纪录（图1.5.2）。
钢筋混凝土桁架拱桥是上世纪60年代末发展起来的一种轻型拱桥，利用拱上建筑与拱圈共同作用原理，预制桁式拱片，装配程度高、整体性好，自重轻、用料省，适用于软土地基的中、小跨度桥梁（图13.4.6）。1981年引入预应力混凝土技术解决桁架拉杆抗拉问题。之后，又创造了预应力混凝土组合桁架拱桥，采用悬臂法施工，使桁架拱向特大跨径迈进。1995年建成跨越乌江峡谷的贵州江界河大桥，创造了当时中国拱桥跨度之最，主跨330m，
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桥面高出常水位270m。
图13.4.5 中承式钢桁架拱桥 图13.4.6 钢筋混凝土桁架拱桥
● 刚架拱
刚架拱是我国20世纪70年代发展起来的新型钢筋混凝土拱桥。主要特点是简化拱上建筑，利用斜撑将桥面位于拱的四分之一跨度处的最不利荷载传至拱脚，改善主拱的受力状态，类似斜腿刚构的受力特点。由于恒载分布较均匀，常用二次抛物线作为刚架拱这类轻型拱桥的拱轴线（见图19.2.4）。刚架拱构造简单，主要受力构件是主拱腿，上纵梁（也称上弦杆）及其间的斜支撑，特别适用于中小跨度。1993年建造的江西德兴乐安江太白桥，净跨130m，采用转体法施工，两半拱片在江心合龙，是目前最大跨度的刚架拱。 ● 肋拱与钢管拱
钢筋混凝土肋拱桥的主拱圈由两条或多条分离式的钢筋混凝土拱肋组成（图13.4.7），桥面系通过吊杆或支杆将荷载传给拱肋。虽然拱肋间设置若干道横向联系，但不影响在每个拱肋平面内进行平面拱结构的受力分析。肋拱比板拱拱体重量轻，恒载内力小，能充分利用主拱材料的强度，并且容易适应各种地形，因此肋拱常用于大跨度拱桥。目前，世界肋拱跨度最大者是我国广西邕宁的中承式钢筋混凝土肋拱桥，跨度为312m。
钢管混凝土拱桥（简称钢管拱）也是一种肋拱桥。所谓钢管混凝土就是在薄壁钢管内填混凝土，使两者共同工作的一种组合受压材料。其优点在于核心混凝土受到钢管的约束处于三向受压状态，从而具有比普通混凝土大得多的承载能力和变形能力，塑性和韧性性能大为改善；而薄的钢管壁受到核心混凝土的约束，其稳定性也大为增强，可避免或延缓钢管发生局部屈曲。此外，钢管混凝土有较好的耗能特性和延性，因而抗震性能好。在施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板。
实际工程中，最常见的是钢管表皮外露，与核心混凝土共同作为结构主要受力组成部分，钢管同时也起施工支架作用的中承式或下承式的肋拱桥，称为钢管混凝土拱桥（图13.4.8）。目前世界最大跨度的钢管混凝土拱桥当属2000年建成的广州丫髻沙珠江大桥（主跨360m），在建的巫山长江大桥（主跨460m）将再度刷新该项世界纪录。另一种上承式拱桥则是先将节段钢管焊接、拼装合龙后，内灌混凝土，形成钢管混凝土劲性骨架；再挂模板，外包混凝土形成箱形拱桥，称为钢管混凝土劲性骨架拱桥，如跃居世界第一的单孔净跨420m的四川万县长江大桥。
将钢管混凝土用作拱桥的承压构件，很好地解决了拱桥材料高强度化和拱圈轻型化两大问题。新材料、新结构结合转体施工、无支架缆索吊装和悬臂拼装等工艺，使拱桥桥型再度焕发青春，向着轻型化和大跨度方向迅速发展。
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