王思穎 陸天成 楊閏詔 張智超 張昊嘉 顏喜林

摘 要：在傳統(tǒng)拱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于張弦結(jié)構(gòu)原理，通過(guò)添加撐桿和拉索，依靠撐桿對(duì)橋體的預(yù)應(yīng)力，減少拱結(jié)構(gòu)在壓力下的彎矩，以減少橋體載荷下的撓度。最終得到一種具有張拉形式的創(chuàng)新拱結(jié)構(gòu)橋梁?；趧?chuàng)新設(shè)計(jì)，建立實(shí)物橋梁模型，并對(duì)其進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，比較前后兩種模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)證明張弦結(jié)構(gòu)的新型拱結(jié)構(gòu)橋梁擁有更好的承載能力，有效提升結(jié)構(gòu)剛度與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：拱結(jié)構(gòu) 預(yù)應(yīng)力 張弦結(jié)構(gòu) 創(chuàng)新橋梁結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0058-02

拱橋，作為我國(guó)的一種傳統(tǒng)橋梁，始建于東漢中后期，已有1800余年的歷史，由伸臂木石梁橋、撐架橋等逐步發(fā)展而成的。在形成和發(fā)展過(guò)程的外形都是曲的，所以古時(shí)常稱(chēng)為曲橋。中國(guó)拱橋建筑歷史悠久，在古代橋梁中，以石拱橋?yàn)橹饕獦蛐汀Ｖ袊?guó)現(xiàn)存最早，并且保存良好的是隋代趙州安濟(jì)橋，又稱(chēng)趙州橋。在1991年9月，趙州橋被美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)選定取為第十二個(gè)“國(guó)際土木工程里程碑”。

1 拱結(jié)構(gòu)分析

在豎向荷載作用下，拱結(jié)構(gòu)（如圖1所示）是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線(xiàn)或折線(xiàn)構(gòu)件。拱結(jié)構(gòu)由拱圈及其支座組成。支座可做成能承受垂直力、水平推力以及彎矩的支墩；也可用墻、柱或基礎(chǔ)承受垂直力而用拉桿承受水平推力[1]。拱圈主要承受軸向壓力，與同跨度的梁相比，彎矩和剪力較小，從而能節(jié)省材料、提高剛度、跨越較大空間。

拱結(jié)構(gòu)主要以拱軸向壓力形式傳遞荷載，傳力途徑短而明確，是結(jié)構(gòu)效率高的平面結(jié)構(gòu)體系。拱結(jié)構(gòu)的一大缺點(diǎn)是對(duì)支座的外推力較大，對(duì)支座的錨固要求較高，并且拱結(jié)構(gòu)的支座外推力隨著跨度的增大而增大。當(dāng)拱式體系用于大跨結(jié)構(gòu)時(shí)，支座處理的困難也隨之加大[2]。

2 創(chuàng)新原理

張弦結(jié)構(gòu)是由上弦剛性壓彎構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）與下弦柔性索組合，通過(guò)合理布置撐桿而形成的自平衡受力體系[3]。關(guān)于張弦結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，即在受拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力，通過(guò)連接上、下弦的撐桿傳力，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度，從而減小荷載作用下的最終撓度，改善上部構(gòu)件的受力狀態(tài)，改變彎矩分布，降低彎矩峰值，并通過(guò)調(diào)整受拉構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力，減小結(jié)構(gòu)對(duì)支座端產(chǎn)生的水平推力，使之成為自平衡體系[4]。

若在原有拱橋的基礎(chǔ)上，加入撐桿和拉索，使原先傳統(tǒng)的拱結(jié)構(gòu)與弦和撐桿組成一個(gè)剛?cè)峤Y(jié)合的雜交體系。通過(guò)撐桿對(duì)弦施加預(yù)應(yīng)力以使拱產(chǎn)生與荷載作用時(shí)相反的位移，從而部分抵消外載的作用，所以拱結(jié)構(gòu)結(jié)合張弦結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮拱型及索材優(yōu)勢(shì)[5]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 原始模型

根據(jù)傳統(tǒng)拱橋的結(jié)構(gòu)，我們建立了類(lèi)似拱橋的模型作為原始模型，原始模型設(shè)計(jì)如圖3所示。

對(duì)橋梁模型進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，測(cè)量該模型加載前后的各個(gè)結(jié)點(diǎn)位置，數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

3.2 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)模型

由對(duì)原始模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載前后測(cè)量得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，原始橋梁模型加載后，其中心結(jié)點(diǎn)C的撓度最大，故我們對(duì)原始橋梁模型進(jìn)行加固，在其中心結(jié)點(diǎn)C位置處架上撐桿，撐桿長(zhǎng)200mm，并以拉索連接兩側(cè)橋體，形成局部張弦結(jié)構(gòu)的。加固后橋梁創(chuàng)新結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在相同加載的前提下，分別測(cè)量加載前、加載后模型各個(gè)結(jié)點(diǎn)的位置，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

比較兩個(gè)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出兩者的測(cè)量點(diǎn)撓度折線(xiàn)圖如圖5所示。

由此可見(jiàn)，在相同加載條件下，加固后的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)橋梁模型比之原先的原始橋梁模型撓度大大減小，承載能力增強(qiáng)。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有張弦結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新拱結(jié)構(gòu)橋梁的優(yōu)點(diǎn)，其彎矩和剪力都要比同跨度、同荷載的一般拱梁小得多，但其軸力則將增大。同時(shí)局部張弦結(jié)構(gòu)中撐桿為橋體提供預(yù)應(yīng)力，減少拱結(jié)構(gòu)在壓力下的彎矩，以減少橋體載荷下的撓度，與一般拱結(jié)構(gòu)相比，張弦結(jié)構(gòu)優(yōu)化了力流，提高了效能。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉錫良，白正仙.張弦梁結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].空間結(jié)構(gòu)，1998，4（4）：15-21.

[2] 白正仙，劉錫良.張弦梁結(jié)構(gòu)受力性能的分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，1998，13（4）：4-8.

[3] 劉開(kāi)國(guó).大跨度張弦梁式結(jié)構(gòu)的分析[J].空間結(jié)構(gòu)，2001，7（2）：39-43.

[4] 陳漢翔，舒宣武.預(yù)應(yīng)力值對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，31（5）：79-84.

[5] 陳榮毅，董石麟，孫文波.大跨度預(yù)應(yīng)力張弦析架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].空間結(jié)構(gòu)，2003，9（1）：45-47.