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公路2020年2月第2期

IGHWAY Feb.2020 No.

GB／T 50375-2016 建筑工程施工质量评价标准(完整正版、清晰无水印).pdf中图分类号：U448.225

中承式系杆拱桥结构体系分析

（1.上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司上海市200437；2.华杰工程咨询有限公司北京市100029）

摘要：介绍J 和设计创新点进行了剖析，如组合受力体系、刚架三角区、双肢拱肋等，分析为今后同类工程的体系构思及结构 提供借鉴。 关键词：中承式拱桥：组合结构：结构体系：技术分析

传统的中承式拱桥根据基础承受水平力大小分 为有推力和无推力。单跨的中承式拱桥为有推力 拱，拱肋产生的水平推力由墩台基础承受；对于多跨 的中承式拱桥，通过对相邻孔采用不同的矢跨比和 恒载重度等可减小不平衡推力，也可通过配置系杆 索来调节拱肋产生的不平衡水平力，即为无推力拱。 无推力中承式拱桥最常见的为三跨系杆拱，因拱肋 立面外形如飞燕，所以俗称为飞燕式拱桥。 随着桥梁建设的发展，中承式系杆拱桥的景观 告型呈多样化趋势，除了三跨拱桥外也建成了多座 四跨、五跨等多跨拱桥，相应的结构体系也呈现了多 详化、组合化趋势。这些拱桥的出现不仅丰富了拱 桥的桥型，也充分展示了拱桥的造型美

飞燕式拱桥的主跨为中承式拱、边跨为上承式 半拱，通过在两端边拱间设置水平向系杆以平衡主 敦承受的水平推力，拱肋构成自锚体系。系杆一般 采用柔性成品索。 三跨拱桥的边中跨比一般取0.2～0.45，主跨 在较小的边跨衬托下显得更加雄伟，主拱尤如一道 天空的彩虹，景观效果好。从产生的水平推力和拱 助高度适中考虑，中跨的矢跨比常取1/5，而边跨的 矢跨比常取1/8左右，以减小中边拱的恒载水平力 差值。 边跨上承式半拱，一般采用悬链线近似拟合其

恒载压力线。由于中跨桥面以上的拱肋承受近似均 布的桥面系重量，中跨的拱轴线一般采用抛物线或 低拱轴系数的悬链线。然而，由于桥面以下拱肋承 受的荷载分布与桥面以上有差异，中跨拱脚段的拱 轴线采用跨中段的延伸线将使拱脚段出现较大的负 弯矩。针对拱脚段出现较大的负弯矩问题，可以采 取两种解决方法：（1）调整桥面以下的拱轴线形：（2） 增大拱脚段截面的抗弯性能， 在飞燕式拱桥的受力形态构思中，从避免中跨 桥面板受拉而开裂考虑，主桥的桥面系一般要在中 间设断缝，断缝可设在桥面与拱肋相交处或三角区 的立柱上。 三跨中承式拱桥通过如下的体系构思也可以实 现桥面系中间不断缝，且桥面板不受拉或仅承受较 小拉力的目的。第一种做法是，将全桥桥面板设计 成连续结构，在主跨中间段由吊杆悬吊，在三角区由 布置在立柱或横梁上的单向活动支座支承，仅在边 跨墩顶设伸缩缝。这样，桥面系的温度变形不受拱 助约束，拱肋因受竖向荷载而产生的水平力不会传 递给桥面板，桥面板不受拉力。第二种做法是通过 施工工艺和桥面、基础间的抗水平力刚度比来实现。 生施工阶段，桥面系中间设断缝，使两端边拱的系杆 力能传递给主墩以平衡其承受的不平衡水平推力。 在成桥阶段将断缝两侧连续，拱肋与桥面系组成刚 主连接体系，使用阶段在温度变形、活载作用等引起 新增水平推力的作用下，桥面板均将受拉。而桥面

础的抗推刚度比而尽可能减小，这在桥面较窄时较 容易实现。

1.2组合桥型受力体系

现代拱桥的受力体系中出现了拱桥体系与其他 桥型受力体系的组合，与梁式体系的组合就是其中 的一种，在中承式拱桥中比较典型的有：重庆菜园坝 大桥采用拱桥与刚架桥组合，寿光市金光街跨弥河

大桥采用拱桥与连续梁桥组合。

1.2.1菜园坝长江大桥

跨越长江的主桥为88m（侧跨）十102m（边跨）十 420m（中跨）十102m（边跨）十88m（侧跨）公轨合 建中承式拱桥，由主桥全长连续的钢桁架主梁及桥 面以下的墩、斜腿和桥面以上的拱肋组成的支撑系 统组成受力形态，如图1所示。

单位：m 图1菜园坝长江大桥

钢桁架主梁的支撑系统可以视为由3个相对独 下的斜腿构成的Y形墩，中间为由桥面以上的拱肤 立的子结构组成：两侧为由主墩、边跨及主跨桥面以 构成的提篮系杆拱，如图2所示

通过将系杆分成与3个子结构相对应的3段， 并对边跨斜腿尾部施加向下的预压力，使子结构实 现独立的平衡。在各段系杆相邻的端部，通过剪力 键将系杆连成整体，也使3个子结构组合成中承式 拱桥，把小跨结构组合成大跨结构。在材料选用方 面，桥面以上的拱肋采用钢结构、桥面以下的Y形 激采用混凝土结构，充分利用了混凝土材料的耐久 性，也考虑了Y形墩两侧的重量平衡。为使钢桁架 主梁的受力更合理，同时也增加边墩位置主梁对Y 形墩的压重，在边跨外侧设置侧跨。经过上述子结 构、材料等的组合，使大桥的设计实现了既经济、美 观，又受力合理。

1.2.2金光街跨弥河大桥

弥河大桥位于山东省寿光市，主桥建筑造型为 中承式景观拱桥（图3），跨径组合为30m+130m+

图2Y形墩与系杆拱组合

图3金光街跨弥河大桥

主体结构由三跨连续梁与中承式拱肋组合而成 （图4)，共同承担桥梁荷载。两个子结构相对分离 且各自为平衡体系，通过中跨吊杆和墩顶支座组合

成中承式拱桥的受力体系。

图4三跨连续梁与中承式拱肋组合

从满足桥梁的建筑造型、提升桥梁景观效果出 发，主桥采用了散口拱。拱肋间不设横撑的拱桥，在 抽向力作用下的稳定性不如设置了横撑的拱桥，为 了提高拱肋的稳定性，可以通过减小拱肋承担的桥 面竖向荷载，从而减小拱肋内的轴力来实现。桥梁

曹海顺郡芳华，中承式系杆拱桥结构体系分析

设计时，一方面在主梁材料选择时采用钢结构以减 小自重；另一方面考虑由主梁自身承担一部分竖向 荷载，而不是如悬吊体系一样重量全部由吊杆传递 给拱肋，拱肋仅承担部分竖向荷载。 由于桥梁较宽，主梁由横向控制的梁高达到 2.2m，其跨越能力足以满足边跨一跨跨越的要求。 由于桥面以下设有人行环道，桥下空间局促，拱肋间 没有设置强大横梁以支承主梁的条件，主梁由设置 在主墩承台的立柱支承，另一个支点设在边墩端横 梁上，主梁以三跨连续梁形态分担主跨桥面的竖向 荷载，与中跨拱肋组成共同受力体系。

邓家窑大桥位于北京市通州区，为主跨158m 的中承式拱，主墩为三角刚架，由桥面以下的主拱 、边跨斜腿和桥面纵梁组成，为平衡三角刚架两侧 的受力，在主跨两侧的边跨斜腿端部各延伸一跨简 支梁9，如图5所示。

如三角区接不设刚性纵梁设计，则由手边跨斜腿 较短，不能提供平衡主跨的重量，且斜腿端部系杆的 张拉将使斜腿产生绕基础的旋转，边跨斜腿受力难于 满足。为改善边跨斜腿和主墩基础的受力，在三角区 将桥面设计为刚性纵梁，与边跨斜腿和主跨拱肋拱脚 段共同组成三角刚架，并在刚架尾端延伸一跨简支梁 以压重。另外在材料选用上，主跨主梁用钢一混叠合 梁、边跨斜腿及主梁用混凝土结构，通过材料重量的 差异以实现三角刚架两侧的重量平衡

单位：m 图5邓家窑大桥

1.3.2广州新光大桥

新光大桥位于广州市新光快速路上，跨越珠江 的主桥为三跨中承式系杆拱桥，跨径组合177m+ 428m十177m（图6）。主墩也采用了三角刚架，刚 架由桥面以下的中拱肋、边拱肋及桥面纵梁组成。 主跨及边跨的桥面以上的钢桁架拱肋和桥面系构成 了3个下承式系杆拱子结构。主桥由主跨及边跨的 3个系杆拱子结构、两个三角刚架主墩组合而成，相 互间刚接形成连续结构（图7）

各子结构分别设置系杆以实现独立的平衡。边 拱采用预应力混凝土刚性系杆。为避免因主桥全长 桥面结构连续而使桥面受拉，主拱采用柔性系杆，并 将主拱、三角刚架范围内的桥面设计成纵向可伸缩 体系，在边拱与三角刚架连接处设伸缩缝，以避免桥 面系受到水平拉力。 为使三角刚架两侧所受的竖向力平衡，减小主 墩基础承受的弯矩，在材料选用上，主拱桥面系采用

图7三角刚架与下承式拱组合示意

钢一混叠合梁DB32／T 4030-2021 集中式饮用水水源地管理与保护规范.pdf，边拱桥面系采用预应力混凝土结

钢一混叠合梁，边拱桥面系采用预应力混凝土结构

明州大桥位手宁波市东外环路，跨越甫江，为 100m十450m十100m中承式系杆拱桥，三角区的 拱肋采用双肢，与立柱、主梁一起形成桁架结构（图 8）。在横桥向拱肋向路中线倾斜，且边跨、中跨拱肋 保持在一个斜平面内，形成提篮拱

为了使系杆张拉能平衡主墩所受的不平衡水平 力，主梁在与主拱相交处设置断缝。根据主跨悬吊区 主梁与三角区主梁不同的受力特点，加劲梁分别采用 了不同的断面形式。悬吊区加劲梁仅受吊杆间竖向 弯矩，采用底板开口的纵横梁体系。三角区主梁承受 轴力、弯矩的共同作用，采用全封闭箱形断面。 由双肢拱肋在三角区形成的桁架结构，共同承 受主跨悬吊区竖向荷载，大大改善了主拱和边拱的 受力状态。

已建的多于三跨的中承式拱桥也出现了多种受 力形态，比较常见的多跨拱桥，其受力体系与三跨飞 熊式拱类似，三角区主梁纵向刚度小，基本为横梁体 系，如：南昌生米大桥（四跨）、大连普兰店湾五跨提篮 洪桥、吉安白鹭大桥（五跨）等。造型及受力体系比较 独特的多跨拱桥有柳州市广雅大桥（四跨）、济宁泗河 大桥（五跨），其三角区均为刚架、拱肋采用双肢。

单位：m 图8宁波明州大桥

作为柳州市中心城区标志性建筑的广雅大桥GB／T 6150.2-2022 钨精矿化学分析方法 第2部分：锡含量的测定 碘酸钾滴定法和电感耦合等离子体原子发射光谱法.pdf， 采用了63m十2×210m十63m的四跨中承式系杆 拱桥，方案如图9所示。为减小桥面以下拱肋的阻 水面积，将边拱肋设计为斜腿，边拱斜腿、桥面以下 的主拱肋及桥面主梁构成三角刚架，类似的三角风 架在中墩、边墩均设置。 边墩处设置了上肢副拱，与三角刚架、主拱肋节 段构成桁架结构。利用桁架作为支撑，主梁向边墩 延伸了一段，一方面增加了边跨跨度，也使桁架两侧 的竖向力平衡。边墩处的桁架结构增加了拱肋的面 外刚度，有利于拱肋的面外稳定，满足了桥面以上不 设横撑的景观要求。桁架结构也改善了主拱肋受 力，减小了截面尺寸。 为实现系杆张拉力与拱肋产生的水平力的平 衡，同时也为了避免主梁连续、结构超静定次数过高 对自身产生的不利影响，在边墩的主跨拱梁相交处 设置断缝

曹海顺鄂芳华：中承式系杆拱桥结构体系分析