梁拱組合體系的分析

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院　重慶　400074)

一、概述

主要的承重結(jié)構(gòu)為梁、系桿、拱三者或者兩者組合起來(lái)的橋梁就被統(tǒng)稱為梁拱組合體系橋。這種組合體系橋兩者共同工作跨徑范圍里的荷載可以被傳遞到下部結(jié)構(gòu)中去。梁有著很多優(yōu)點(diǎn)，它可以直接承受活載，并且可以承受比較大的軸向力和彎矩，而拱也有很多優(yōu)點(diǎn)，拱主要受到壓力，結(jié)構(gòu)的剛度比較大，能夠充分發(fā)揮材料利用率高這一優(yōu)勢(shì)，但拱橋也有著不少的缺點(diǎn)，比如水平推力大，施工比較復(fù)雜，工期也比較長(zhǎng)。但是梁和拱這兩種體系組合起來(lái)，既能發(fā)揮兩者之間的優(yōu)點(diǎn)，也可以彌補(bǔ)兩者之間的缺點(diǎn)。

二、梁拱組合體系的構(gòu)造

梁拱組合體系主要組成成分包括上部橋跨結(jié)構(gòu)和下部墩臺(tái)結(jié)構(gòu)這兩大部分。拱肋和吊桿系桿行車道板以及橋面系等構(gòu)成了上部橋跨結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)包括支座系統(tǒng)、橋墩、橋臺(tái)及墩臺(tái)基礎(chǔ)。梁拱組合體系的受力體系主要為系桿和拱肋一起承擔(dān)荷載，但不同類型的荷載由不同的構(gòu)件承擔(dān)[1]。橋面上的荷載由拱肋承擔(dān)，拱肋上的荷載是從吊桿傳來(lái)的；而系桿則承受拉力，拉力則源自于對(duì)拱肋所受水平推力的平衡作用。具體而言，矢跨比對(duì)總體構(gòu)造的受力和變形影響很大。矢跨比越小，拱肋和梁的軸向力就越大；但過(guò)小的矢跨比會(huì)增加拱圈壓力，使結(jié)構(gòu)的整體剛度下降，所以矢跨比一般取較大一點(diǎn)的值。而梁拱組合體系橋的細(xì)部構(gòu)造則劃分出很多類。如拱肋，系梁及系桿，吊桿，橋面系，橫梁，立柱，橫向聯(lián)結(jié)系，端節(jié)點(diǎn)等[2]。

三、梁拱組合體系的優(yōu)越性

(一)受力方面

一般的拱橋拱腳有比較大的水平推力，而梁拱組合體系橋拱腳能夠形成沒有推力或者說(shuō)推力很小，因?yàn)橄禇U可以平衡很大一部分推力，所以在地址比較差的地區(qū)用梁拱組合體系橋造價(jià)會(huì)節(jié)省很多。而梁橋一般是受到向下的彎矩，尤其是跨中部分。而拱的存在可以提高橋跨結(jié)構(gòu)的整體豎向剛度，還可以幫助梁抵抗彎矩以及降低建筑高度，所以在要求限高的地區(qū)以及對(duì)橋梁剛度要求很嚴(yán)格的高鐵橋梁建設(shè)中，梁拱組合體系橋比梁橋更具有優(yōu)越性。

(二)美學(xué)方面

梁拱組合體系橋梁中梁的剛和拱的柔相結(jié)合，既體現(xiàn)了剛?cè)岵?jì)的中庸思想，又使得橋梁具有了動(dòng)態(tài)的美感。拱橋本身就已經(jīng)具有了自然的美感，梁拱組合體系橋的種類更是花樣繁多，結(jié)構(gòu)輕盈，受力平衡，線型優(yōu)美，在現(xiàn)如今對(duì)橋梁美學(xué)越來(lái)越重視的情況下，完全展現(xiàn)了它的美學(xué)優(yōu)越性。

四、梁拱組合體系橋的形式

梁拱組合體系橋的形式有很多，拱與梁的很多形式都可以組合成為梁拱體系，而這些梁拱組合形式可以形成不同的結(jié)構(gòu)和不同的造型。人們因此可以設(shè)計(jì)出許多結(jié)構(gòu)受力好，并且形式優(yōu)美造型新穎的橋梁。由主梁和拱肋一起承擔(dān)豎向荷載的梁拱組合體系橋受很多因素影響，比如梁段和吊桿的軸向剛度，拱和主跨的矢跨比以及最主要的主跨和拱的豎向抗彎剛度比[3]。

根據(jù)梁拱組合體系橋中結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系和受力特點(diǎn)，可以把梁拱組合體系橋分為以下類型：簡(jiǎn)支梁拱組合體系，懸臂梁拱組合體系，連續(xù)梁拱組合體系，連續(xù)剛構(gòu)組合體系，鋼架系桿組合體系[4]等等。

(一)簡(jiǎn)支梁拱組合體系

簡(jiǎn)支梁拱組合體系別名叫系桿拱體系，它是一種外部靜定內(nèi)部超靜定的無(wú)推力的上部在墩臺(tái)上簡(jiǎn)支的中間用吊桿連接兩端用梁和拱固接的結(jié)構(gòu)。

(二)懸臂梁拱組合體系

懸臂梁拱組合體系是一種由拱肋、梁、柱、掛孔、橫向聯(lián)系和橋面板等組合的結(jié)構(gòu)，這種組合橋?qū)嵸|(zhì)上也是一種T構(gòu)橋，而且是帶掛梁的變截面橋。

(三)連續(xù)梁拱組合體系

連續(xù)梁拱組合橋除了系桿是剛性連接梁。其他的構(gòu)造特點(diǎn)和簡(jiǎn)支梁拱組合體系有很多相似的地方。且它也分為三種形式，分別是上承式、中承式和下承式[5]。

(四)連續(xù)剛構(gòu)組合體系

連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合體系的橋墩相比其他體系而言橋墩要柔一些。它的結(jié)構(gòu)形式是梁和墩固接，梁作為剛性梁，拱與它剛性連接。連續(xù)剛構(gòu)組合體系的內(nèi)力不僅受到上部結(jié)構(gòu)施工的影響，還要受到收縮徐變以及溫度的影響。

(五)鋼架系桿組合體系

鋼架系桿組合體系是一種不設(shè)置支座，橋墩和拱肋固接的超靜定結(jié)構(gòu)。它因?yàn)楣昂投者B接的地方是剛接而且?guī)в械南禇U不承擔(dān)橋面的荷載，所以叫做鋼架系桿拱體系[6]。

五、總結(jié)

梁拱組合體系橋不僅具有梁和拱各自的優(yōu)點(diǎn)，還克服了兩者之間的缺點(diǎn)，是一種在古代發(fā)明而在現(xiàn)代被廣泛應(yīng)用的橋梁。其在如今的社會(huì)中具有如下特征：

(1)計(jì)算受力荷載較為繁瑣，其超靜定結(jié)構(gòu)需要高精度的軟件來(lái)計(jì)算力學(xué)性能。

(2)具有造型美觀，造價(jià)低廉，增大剛度等優(yōu)點(diǎn)，尤其在城市橋梁優(yōu)勢(shì)更為明顯。

(3)作為橋梁美學(xué)的運(yùn)用以及與梁組合起來(lái)拱作為輔助受力產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)，在當(dāng)下乃至未來(lái)具有非常美好的前景。