蝴蝶拱橋發展概況與設計參數分析

羅慧苓

(福州理工學院　福建福州　350506)

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蝴蝶拱橋發展概況與設計參數分析

羅慧苓

(福州理工學院福建福州350506)

蝴蝶拱橋是將豎直拱肋往橋外外傾而形成的一種新型異型拱橋。調查分析結構穩定性能已建成的蝴蝶拱橋設計參數，了解其結構受力與構造特點。結果表明，蝴蝶拱橋通常采用中下承式無推力拱的結構體系；適用跨徑80～160m；矢跨比1/5～1/3，跨徑增大時應增設副拱，副拱間設置連桿來保證結構穩定，同時鋼箱是主要采用的截面型式；蝴蝶拱橋的面外剛度小于面內剛度，結構橫向穩定性突出；拱肋外傾角取值范圍13.5°～33.5°，為獲得良好的穩定性能，拱肋傾角設計時可選擇最佳傾角。

蝴蝶拱橋；矢跨比；副拱；外傾角

E-mail:pgh1998@gmail.com

0　引言

一座設計優秀的城市橋梁往往能成為城市地標性建筑之一。當前橋梁的概念設計成為橋梁設計的重要組成部分。基于傳統拱橋，橋梁工程師處于美觀的要求，設計與建造了多姿多彩的拱橋，包括蝴蝶拱橋、斜靠拱及月亮拱等。本文擬通過對現有蝴蝶型拱橋的主要設計參數的統計與分析，探討結構受力特點，期為同類型橋梁設計提供依據與參考。

1　蝴蝶型拱橋發展與應用

蝴蝶拱是將常規拱橋中兩側平行豎直主拱肋外傾而形成的新型異性拱結構[1，2]。1995年JanBobrowski在英國Great Ouse River上設計建造的世界第一座人行蝴蝶拱橋，如圖1所示。隨后西班牙alameda bridge(圖2)、日本森林橋等相繼建成[3～5]。該類橋型在引入國內后，由于橋梁造型優美，得到應用并迅速發展。表1收集了部分國內已建成的蝴蝶拱橋。

圖1　英國蝴蝶橋

圖2　alameda bridge

橋名年份橋梁型式跨徑(m)矢跨比拱肋傾角(°)天津大沽橋2005下承式系桿拱1061/2.72;1/5.5818/22無錫興塘大橋2006中承式拱梁組合901/4.0920中山長江大橋2007下承式有推力拱1141/2.97;1/3.6735.5/13.5西安浐灞1號橋2007下承式有推力拱801/3.6420廣西南寧大橋2009下承式系桿拱橋3001/3.62;1/3.6220.3/23.5沈北新區蝴蝶橋2010下承式系桿拱橋1001/4.9820太原南中環橋2010下承式系桿拱橋1801/4.3316.0/26.8杭州九堡大橋2012下承式拱梁組合橋2101/4.2912.0深安黃河大橋2014中承式系桿拱橋52+168+521/4.010.0余信貴大橋在建中承式系桿拱橋48+168+481/3.5012.0

2　結構美學

蝴蝶型拱橋將對稱的拱肋自然張開，行車道與外傾的拱肋錯落有致，拱肋所形成的圓弧線融于橋梁的整體造型之中，很自然地融入周圍景觀中，遠觀猶如一只彩蝶于水上翩然起舞，其立面猶如高山流水的豎琴，這是古典與現代的有機結合，具有良好的景觀效果。

3　結構設計參數分析

(1)結構型式與系桿布置

蝴蝶型拱橋通常采用拱梁組合和系桿拱等無推力體系，無推力的柔性系桿拱占了總數的60%。采用下承式型式的占了已建橋梁70%。

結構系桿均錨固于拱腳處。中承式橋梁中，深安黃河大橋系桿為錨固于邊跨兩端的通長系桿，余信貴大橋則是邊跨系桿、中跨系桿與通長系桿的組合。

(2)跨徑與矢跨比

矢跨比是設計拱橋的最重要的設計參數之一。拱腳水平推力與矢跨比成反比關系。矢跨比小，水平推力大，拱的軸向力大，對拱圈自身的受力狀況是有利的，但對于有推力橋梁的墩臺基礎是不利的。同時溫度、收縮徐變等因素造成的附加內力及結構本身外形等均與矢跨比大小有關。因此矢跨比的大小應通過綜合比較后確定[6]。

從收集的資料分析，蝴蝶拱橋的橋梁跨徑主要分布在70m～180m之間。10座橋中，5座橋在80m～120m這個范圍內，均為單側單拱肋；其余5座橋跨徑都超過了160m。除了廣西南寧大橋為單側單拱肋外，其余4座為單側雙拱肋，通過設置副拱肋提高橋跨跨徑。矢跨比除天津大沽橋取值1/2.7外，其余的取值都在1/5～1/3.0之間。

(3)拱肋型式

拱受力以壓為主，選用抗壓性能突出的材料建造。表2示出了拱肋型式的使用情況。表中可見，除了太原南中環橋采用鋼管混凝土拱肋外，其余9座采用鋼箱拱肋，占總數88.9%。鋼箱截面型式豐富，主要有矩形、倒梯形、多邊形等3種。由于蝴蝶拱橋的穩定問題突出，采用鋼箱型式是合理選擇。

表2　拱肋型式統計

(4)拱肋傾角

蝴蝶拱橋外傾角的大小不僅考慮受力特點，更多滿足造型需要，因此外傾角取值范圍較大。拱肋非對稱時，傾角取值從13.5°～33.5°不等，拱肋對稱時，其外傾角的取值通常為10°、12°、16°和20°4等四種取值。

(5)副拱肋

在蝴蝶型拱橋中，有4座橋梁設置了副拱肋，占總數的40%，從建造日期中可發現，2010年后所建造的蝴蝶型拱橋均設置副拱肋。太原南中環橋和深安黃河大橋副拱采用圓形空鋼管，而九堡大橋和余信貴大橋副拱截面為方形鋼箱截面。

(6)主、副拱肋間連桿

太原南中環橋主、副拱肋間沿橋縱向每隔2m設置一根連桿，共77根；九堡大橋連桿間的間距為8.5m，共17根；深安黃河大橋連桿間距為8m，共13根，余信貴大橋的連桿間距為6m，共17根。

(7) 施工方法

拱橋上部結構的施工方法通常采用有支架施工和無支架施工兩大類，根據吊裝設備的不同又可分為纜索吊裝和吊機吊裝等。在已知施工方法的9座蝴蝶型拱橋中，有5座采用支架施工的方法。其余2座如廣西南寧大橋(圖3)、余信貴大橋采用懸臂拼裝的施工方法，杭州九堡大橋(圖4)和蘭州深安黃河大橋則采用在岸邊拼裝完成，整體頂推的施工方法。綜合對比3種橋型的施工方法，可以發現，目前蝴蝶拱橋在拱肋的架設過程中，主要采用施工難度較低的支架法施工。

圖3　南寧大橋懸臂拼裝法施工圖

圖4　九堡大橋整體頂推法施工

拱橋施工方法與橋梁跨徑有密切的關系，3種橋型施工方法與跨徑的關系如圖5所示。從圖中可以看出，3種橋型采用支架法施工時，橋梁的跨徑均小于160m，跨徑集中在60～120m之間，采用懸臂拼裝法的橋梁跨徑均大于160m，而對于采用整體拼裝然后在拖拉或頂推就位的橋梁，其施工方法的選擇主要是為了不影響通航、或地形條件受到限制，與跨徑無直接關系。

圖5　3種橋型施工方法與跨徑關系

4　蝴蝶型拱橋穩定性能分析

由于蝴蝶拱橋拱肋異于常規的外傾式設計，因此其橫向穩定性就成為在設計工程中應該重點考慮的因素。蝴蝶型拱橋面外剛度往往要小于面內剛度，失穩模式也通常表現為面外拱肋反對稱失穩。從某種意義上說，橋梁的穩定性與強度具有同等重要性。而對于異型拱橋，由于結構的異化，其穩定性是設計中應重點考慮的因素。

4.1蝴蝶型拱橋橫向結構特點

蝴蝶型拱橋在縱橋向擁有傳統拱橋的優點，但在橫橋向因為拱肋外傾，產生了很多自己的特點，主要如下：

(1)拱肋依靠拉索連接到加勁梁上，給梁提供了彈性支撐，同時吊桿給拱肋施加了向橋內側的拉力，避免拱腳處出現過大的集中力；

(2)吊桿的水平分力引起拱頂的橫向位移，這種橋型的面外剛度遠小于面內剛度，相比于普通拱橋，橫向位移問題較為突出；

(3)蝴蝶型拱橋的拱肋并非如平行拱肋僅僅是壓彎構件，其還承受面外的扭矩，空間效應明顯；

(4)拱肋外傾，拱頂橫向距離變大，橫向穩定性問題突出；

(5)拱肋傾角、剛度等設計參數的改變，對結構的橫向穩定性均有影響，其具體貢獻值還有待進一步研究。

綜上，蝴蝶型拱橋由于其造型的特殊性，導致橫向穩定性問題突出，穩定性問題是此類橋型設計應重點考慮的因素。

4.2典型橋例穩定計算

以江西余信貴大橋為工程背景，建立空間有限元模型，對蝴蝶拱橋在恒載作用下的穩定性進行分析。計算所得前五階失穩特征值如表3所示，對應的失穩模態如圖6所示。由圖表可見，結構失穩模態均表現為面外失穩，一階穩定系數為16.89，滿足大于4的工程要求。

表3　結構失穩特征值

(a)一階失穩模態

(b)二階失穩模態

4.3拱肋傾角對穩定性能影響

拱肋外傾是蝴蝶拱橋的外形特點，至于傾角多少并沒有什么判斷標準，而傾角大小直接影響結構穩定性。表4列出了10種不同傾角取值對穩定系數的影響。計算過程中僅改變主拱肋傾角，副拱肋位置不動。

從表4可以看出，各傾角下一階失穩模態均為面外失穩，而最小特征值各不相同。主拱傾角為12°時特征值最大，為最佳傾角。主拱傾角由12°減小到0°時，最小特征值降低了7.99%。主拱傾角由12°往36°變化時，結構特征值從16.893減小到14.603，降低了13.56%。同時拱肋傾角大于12°后，特征值的減小速率變大，如從12°增加到16°時，特征值的增量為-0.078，但從32°增加到36°時，特征值的增量已達到-0.676。因此，為獲取良好穩定性能，外傾角應選擇最佳傾角，不宜取值過大。當然具體設計時，應同時考慮美觀等因素。

表4　主拱傾角變化對應特征值及失穩模態

5　結論

(1)蝴蝶拱橋常規跨徑80～160m，矢跨比1/5～1/3，常采用中下承式無推力拱的結構體系；

(2)為保證結構穩定，截面型式通常采用鋼箱型式，同時當橋梁跨徑增大時，應加設副拱，且副拱間設置連桿來保證結構的整體穩定。

(3)蝴蝶拱橋面外剛度要小于面內剛度，失穩模態表現為面外失穩，結構橫向穩定問題突出。

(4)通常拱肋外傾角取值范圍13.5°～33.5°，但當外傾角選擇最佳傾角時，如背景工程余興貴大橋最佳傾角為12°，其結構亦可獲得良好的穩定性能。

[1]Clokie C，Metcalf I， Holland A. Dental trauma in anesthesia[J]. Canadian Journal of Anesthesia， 1989， 36(6): 675-680.

[2]ZHANG J,LIU A，LI Y, et al. Model Tests and Theoretic Study of a Butterfly-Shape Arch Bridge [J]. Bridge Construction,2007,2:003.

[3]羅斌.淺談異型拱橋橋型設計[J].城市道橋與防洪，2003(2):56-59.

[4]李麗，李喬.對一種新型拱橋結構的美學分析及內力特性研究[J].四川建筑科學研究，2003，29(2): 107-109.

[5]Lu P, Zhang J, Zhao R. Study on the mechanical performance of Butterfly Arch Bridge[J]. The Structural Design of Tall and Special Buildings，2009，18(5): 469-483.

[6]陳寶春.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2009.

羅慧苓(1978-)，女，本科，工程師，主要從事結構工程方面的工作。

Development and design parametric analysis of butterfly shape arch bridge

LUOHuiling

(Fuzhou Institute of Technology，Fuzhou 350506)

The difference between butterfly shape arch and traditional arch is the outward incline of the arch rib. In the paper, the main design parameter of butterfly shape arch bridge is investigated and the stability of the structure is analyzed for studying the characteristic of the structure. The analysis results show the rational span is 80m to 160m of butterfly shape arch bridge and 1/5 to 1/3 of the span-rise ratio is appropriate. When the span is lengthened, the assistant arch must be set up to ensure the safe of the structure and the steel box section is adopted. The out-of-plane stiffness is small than in-plane stiffness and unstability mode of the main arch is out-of-plate mode. The inclined angle depends on the mechanical behaviors of structure and artistic requirements and the value of angle range from 13.5 degree to 33.5 degree. The optical inclined angle of main arch rib should be selected for good stability.

Butterfly shape arch; Span-rise ratio; Assistant arch; Inclined angle

羅慧苓(1978-)，女，工程師。

2015-12-10

U448.22

A

1004-6135(2016)01-0091-04