第七章 组合体系拱桥
第七章 组合体系拱桥
第一节 有推力组合体系拱桥构造
[A3-7.1] 有推力组合体系拱桥是装配式拱片拱桥，承重结构由固结为整体拱形刚架片结构构成，通常设计为为上承式结构，包括桁架拱桥和刚架拱桥。
[A3-7.2] 桁架拱桥又称拱形桁架桥，是一种有水平推力的桁架结构，上部结构由桁架拱片、横向联结系和桥面组成。桁架拱片是主要承重结构，是由上弦杆、下弦杆、腹杆以及跨中由上下弦杆靠近而形成的实腹段所组成的桁架拱片，如图3-7-1所示。
图3-7-1 桁架拱桥的主要组成部分
[A3-7.3] 桁架拱桥的拱上建筑与拱肋融为一体共同受力，整体性好。桁架部分各杆件主要承受轴向力，具有普通桁架的受力特点。实腹段具有拱的受力特点：拱的水平推力减少了跨中弯矩，使跨中实腹段在恒载作用下，主要承受轴向压力；在活载作用下将承受弯矩，成为偏心受压构件。桁架拱综合了桁架和拱的有利因素，以承受轴向力为主，可采用钢筋混凝土材料修建。同时，拱上结构与拱肋已形成桁架，能充分发挥全截面材料的作用，与同跨梁桥相比，节省钢材较多，圬工用量与梁桥接近，但比同跨拱桥要少。另外，由于桁架拱外部通常采用两铰结构，因而地基位移、温度变化等产生的附加内力较小。综合上述分析，桁架拱受力是合理的，自重轻，用料少。
[A3-7.4] 桁架拱的拱上结构在施工中由于具有整体的钢筋骨架，故可整体预制安装和采用分段预制、吊装就位后联接成整体。桁架拱预制构件规格少、施工工序少，因此工期短。
[A3-7.5] 桁架拱各节点均为刚性连接，由于节点的次应力容易导致杆件两端开裂，影响桁架拱的耐久性；桁架拱是推力结构，支点反力大，对地基有一定的要求；桁架拱一般采用预制安装，由此安装的块件较大，运输和安装过程中需要100 kN以上的起重设备；预制和安装中对施工工艺要求较高等。因此，桁架拱桥的应用范围以20～50 m的中等跨径为宜。但是，如果采用预应力的桁架拱，可克服受拉杆件开裂的问题，并可使跨径增大。
[A3-7.6] 根据构造不同，桁架拱可以分为普通桁架拱桥和桁式组合拱桥。
[A3-7.7] 1. 普通桁架拱桥
普通桁架拱桥中，三角形腹杆的桁架拱片腹杆根数少，杆件的总长度也最短，因此腹杆用料省，整体刚度较大[图3-7-2a）]。但是当拱跨较大、矢高较高时，三角形体系的节间就过大，为了承受桥面荷载，就要增加桥面构件钢筋用量。因此，宜增设竖杆来减少节间长度，成为带竖杆的三角形桁架拱[图3-7-2b）]。根据斜杆倾斜方向不同，又有斜压杆和斜拉杆两种[图3-7-2c）、d）]。前者斜杆受压，竖杆受拉，且斜杆的长度随矢高和节间长度的增大而显著增大，尤其是第一个节间内的斜杆长度更大。为了防止斜杆失稳而需增大截面尺寸，可采用不同截面尺寸的斜杆以节省材料，但施工麻烦。同时，这种斜压杆式的桁架拱外形不太美观，故目前较少采用。后者则相反，斜杆受拉而竖杆受压（图3-7-3）。为避免拉杆及节点开裂，并减小截面尺寸，节省材料，可采用预应力混凝土斜拉杆，外形也较美观，是常用的一种形式。
图3-7-2 斜杆式桁架拱片
图3-7-3 桁架拱桥示例（浙江三门上叶桥）
[A3-7.8] 2. 桁式组合拱桥
桁式组合拱桥与普通桁架拱桥的主要区别在于上弦杆断点位置不同。普通桁架拱桥的上弦杆简支于墩（台）上，上弦杆与墩（台）之间没有断缝（即断点），而桁式组合拱桥上弦杆却是在墩（台）顶部至拱顶之间适当位置断开，形成一条断缝（即断点），从断点至墩（台）顶部形成一个悬臂桁架，并与墩（台）固结，跨间两断点之间为一普通桁架拱，全桥下弦杆保持连续。从力学上看，相当于普通桁架拱支承于两端的悬臂桁梁上，从而形成拱梁组合体系，如图3-7-4所示，优化断点位置，一般在（0.5～0.6）l处。
图3-7-4 桁式组合拱桥的组成
1-桁架拱部分；2-悬臂桁架部分
图3-7-5 预应力混凝土桁式组合拱示例（贵州江界河大桥）面
桁式组合拱桥常用于100 m以上跨径的特大型预应力混凝土拱桥，目前已建成的贵州江界河大桥（图3-7-5），跨径达330 m，居世界首位。
桁式组合拱桥的特点是保留了普通桁架拱的优点，纵、横刚度大，施工和运营阶段稳定性好，拱顶正弯矩比同跨径普通桁架拱减少30％以上，构造简单，由于上弦断开，其拉力比同跨径普通桁架拱减少2倍以上。悬臂桁架在施工和运营阶段受力一致，不需额外增加施工用材，总体经济性较好。
[A3-7.9] 刚架拱桥是在桁架拱桥、斜腿刚架桥等基础上发展起来的另一种桥型，属于有推力的高次超静定结构。由于具有构件少、质量轻、整体性好、刚度大、施工简便、造价低、造型美观等优点，被广泛用于跨径25～70 m的桥梁。
[A3-7.10] 刚架拱桥的上部结构由刚架拱片、横向联结系和桥面等部分组成（图3-7-6）。特点是在顺桥方向，将常规的主拱圈与拱上建筑部分组成为整体受力的结构，拱上建筑不是单纯的传递荷载，而是参与承受荷载；在横桥向，通过加腋板或微弯板将拱肋与现浇桥面组成整体的受力结构。虽为拱式体系，但恒载推力较常规拱桥要小。为控制桥梁建筑高度，可将矢跨比选择得小一些，一般在l/7～1/10之间取值。
图3-7-6 刚架拱桥的主要组成部分
[A3-7.11] 刚架拱片是刚架拱桥的主要承重结构，一般由跨中实腹段的主梁、空腹段的次梁、主拱腿（主斜撑）、次拱腿（斜撑）等构成（图3-7-7），与桥面板一起形成刚架拱的主拱片。主梁和主拱腿的交接处称为主节点，次梁和次拱腿的交接处称为次节点。节点构造一般均按固结设计，并配置钢筋。
[A3-7.12] 主梁和主拱腿构成的拱形结构的几何形状是否合理，对全桥结构的受力有显著的影响，设计原则是在恒载作用下弯矩最小。主梁和次梁的梁肋上缘线一般与桥面纵向平行，主梁下边缘线一般可采用二次抛物线、圆弧线或悬链线，使主梁成为变截面构件。主拱腿可根据跨径大小和施工方法等不同，设计成等截面直杆或微曲杆。有时从美观的角度考虑，也可采用与主梁同一曲线的弧形杆，这样可改善梁、拱腿的受力性能。
[A3-7.13] 横向联系的作用是将刚架拱片联成整体共同受力，并保证横向稳定。为了简化构造，横向联系可采用预制装配式的横系梁或横隔板，间距视跨径大小酌情布置。一般在刚架拱片的跨中、主次梁端部等处设置横系梁。当跨径较大或者跨径小但桥面很宽时，为了加强跨中实腹段刚架拱片间的横向整体性，有利于荷载的横向分布，可增设直抵桥面板的横隔板。
[A3-7.14] 桥面板可由预制微弯板、现浇混凝土填平层、桥面铺装等部分组成，也可采用预制空心板、现浇混凝土层及桥面铺装等构成。
[A3-7.15] 刚架拱桥的总体布置形式主要与桥梁跨径、荷载大小等有关。当跨径小于30 m时，可采用只设主拱腿，不设次拱腿的最简单形式[图3-7-7a）]。当跨径在30～50 m时，为了减小腹孔段次梁和斜撑的内力，可以设置一根次拱腿[图3-7-7b）]。随着跨径增大，为减小次梁和斜撑的内力，可设置多根斜撑。这些斜撑都可以直接支承在桥梁墩（台）上，也可以将次拱腿支承在主拱腿上，以减小次拱腿的长度[图3-7-7c）、图3-7-6a）]。
[A3-7.16] 刚架拱片可以采用现浇或预制安装的方法施工，应根据运输条件和安装能力确定，目前大多数采用后者。为了减小吊装质量，可将主梁和次梁、斜撑等分别预制，用现浇混凝土连接。当跨径较大时，次梁还可分段预制。
图3-7-7 刚架拱总体布置造