上承式無推力拱形橋梁結構體系分析和比較

吳新元，任宏業

(林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，上海市 200092)

1 概述

上承式無推力拱形橋梁（本文指具有類似拱造型的上承式無推力橋梁的統稱，下同）由于其結構輕盈美觀、特別適合于軟土地基的平原地區(見圖1)，近年來在國內外已修建多座類似造型的橋梁。這類橋型從外觀看比較類似，實際結構體系卻不盡相同，有的是真正的無推力體外索系桿拱橋，有的是V型墩結合上部主梁形成的類似拱形造型的橋梁。

圖1 典型的上承式無推力拱形橋

目前國內外這類橋型按結構體系分主要有空腹連續梁體系、V型墩-連續梁體系、V型墩連續剛構體系(或空腹剛架拱體系)和無推力系桿拱體系；其中前三種為連續梁(或連續剛構)演變而來的梁（拱）組合結構，后一種為有水平體外索的系桿拱橋。

2 空腹連續梁體系

空腹連續梁體系本質上還是連續梁，只是為了降低跨中梁高在中支點處梁底加了一個V型的斜腿(也可以看成是變截面連續梁中支點處梁體腹部挖空)，由于有了斜腿的支撐，中跨梁的跨徑減小從而降低了中跨梁高，見圖2。

圖2 空腹連續梁體系示意圖

這種結構體系本質上是連續梁體系，所以中間墩不存在整體升降溫的水平推力。由于支座位置較低，為防止洪水淹沒支座，該類體系適合于水位較低或者中間墩設置在岸上的情形，無錫的新揚大橋就是中間墩在岸上的這類結構。

3 V型墩連續梁體系

V型墩連續梁體系也可以看作是一般連續梁演變而來，和空腹連續梁體系不同的是，它是一般連續梁橋墩的改變－直柱橋墩演變為V型橋墩，實際上由三跨連續梁變成了五跨連續梁結構，見圖3。

圖3 V型墩連續梁體系示意圖

V型墩外部是靜定結構體系，整體升降溫不產生推力。具體設計中一般把V型墩的上拉系桿隱藏在兩片梁之間，從側面看猶如墩梁一體，能夠很好的滿足拱形橋梁景觀的要求，見圖4、圖5。

圖4 V型墩造型

圖5 V型墩連續梁橫斷面圖

目前，國內V型墩－梁式橋多采用V型墩連續剛構體系，其技術成熟可靠。但是，對于墩高較低或跨數較多的橋梁，V型墩連續剛構橋的溫度內力（升降溫差引起的次內力）、收縮徐變內力以及分聯墩對橋梁景觀的不利影響，均限制了該橋型的應用。而V型墩連續梁體系本質上是連續梁，適用范圍廣，能夠很好的解決以上問題。V型墩連續梁體系較早應用于華盛頓特區的新 Woodrow Wilson紀念橋，國內洛陽的希望橋和杭州九堡大橋主橋中間墩均采用該結構體系。

4 V型墩連續剛構體系(或空腹剛架拱體系)

目前國內V型墩橋梁中建造最多的結構體系是V型墩連續剛構體系，有的稱為空腹剛架拱體系。該種體系可看成是把一般連續剛構體系的橋墩加以演變而來，見圖6。

圖6 V(Y)型墩連續剛構體系示意圖

為了降低中跨梁高，把一般連續剛構的橋墩換成V型支撐墩，這樣可以減小中跨的跨徑從而降低跨中梁高。

此種結構體系V型橋墩設計是關鍵，結構的整體剛度太大時會對結構受力不利，從而造成本身的投資反而加大。V型墩的傾角和墩身厚度均須要選取恰當，傾角不宜過小，墩身厚度不宜過大，墩高不宜太矮，跨徑不宜太小，連續跨數不宜太多。傾角過小、墩身過厚、墩高小、跨徑小、分跨多均會造成橋梁結構的溫度內力過大，考慮基礎沉降時結構的次內力又大大增加，從而使得上部設計與下部設計的付出均大大增加，造成橋梁投資不經濟。

當墩高較矮或橋梁跨數較多時可以考慮采用上節的V型墩連續梁體系。

當墩高較高或水深較深時，可以考慮把V型墩做成Y型墩，這樣既增加了橋墩的柔度，又很好解決了高低水位時淹沒V型墩腳對美觀的影響。臺北北二高碧潭大橋和重慶合川涪陵一橋即為Y型墩連續剛構橋，福建龍溪洲閩江大橋為V型墩連續剛構橋。

5 無推力系桿拱體系

上承式無推力系桿拱橋由于體外索系桿平衡了水平推力，特別適合于軟土地基的平原地區，見圖7。

圖7 無推力系桿拱體系示意圖

體外索系桿成橋張拉力一般考慮完全平衡恒載的水平推力。體外索在邊跨梁端部錨固時需考慮以后更換的空間。拱上建筑支撐的梁可以是連續或簡支梁。

上承式無推力系桿拱橋造型美觀、獨特，但是受力也比較復雜，特別要注意不同施工階段體外索系桿的施工張拉力調整。

由于體外索長度的限制和連拱的影響，上承式無推力系桿拱橋跨數不宜過多。

江山迎賓橋和滁州東陽橋均為該種結構體系橋。

6 不同結構體系的比較

以上四種結構體系在設計中通過局部構造措施均能達到上承式拱的造型。但結構體系卻相差很大，結構受力特點和適用范圍也各不相同，見表1。

7 結語

本文詳細闡述了上承式無推力拱形這類橋梁的四種不同結構體系，分析了不同結構體系的受力特點和適用范圍，為以后在設計這類造型橋梁時提供參考。

表1 四種結構體系的受力特點和比較

[1]Serafim G.ARZOUMANIDIS.Replacement of the Woodrow Wilson Memorial Bridge Bascule Span[J].IABSE Symposium Report,2006(12).

[2]吳巨軍.江山市迎賓大橋設計[J].世界橋梁,2006(1):17-19.

[3]謝維鎏.福建龍溪洲閩江大橋設計[J].橋梁建設,2005(1):19-21

[4]栗勇.V型墩-連續梁結構設計 [J].城市道橋與防洪,2012(5):73-75.