系杆拱

系杆拱，

又可稱為簡支梁拱組合體系。在我國有較大的發展，尤以江浙一帶較為突出。拱橋多建在基礎較好的山區，平原地區修建拱橋基礎處理比較麻煩，據調查資料，平原地區修建的拱橋幾乎都出現了類似橋台位移，拱頂下降，拱肋開裂問題。系杆拱橋通過在系梁內施加預應力，抵消拱肋推力，使橋墩（台）無需承受推力，可以象連續梁一般修建橋墩（台），解決了平原地區拱橋出現的問題。系杆拱除在美觀上勝於普通梁橋外，造價上也有較大優勢。系杆拱主樑建築高度可在跨徑的1/50左右，滿足通航要求前提下，可最大限度降低橋面標高，縮短引橋長度，節省工程造價。已修建的橋樑中，主跨50m的系杆拱建築高度只有80cm，同簡支梁相比可減少建築高度1.8m左右，同連續梁相比可減少1.0m左右，其經濟優勢是不言而喻的。根據橋面寬度不同，拱肋可布單片、雙片、三片甚至四片。施工可分為先拱後梁和先梁後拱兩種方法。

下承式系杆拱橋造型優美，跨越能力大，採用鋼與混凝土結合橋面後，與混凝土梁橋相比，具有建築高度低，一期恆載作用小等特點，在橋下淨空要求較高且橋上受線路坡度限制時，還能減少引橋的長度；與明橋面(不設橋面板，鋼軌和枕木直接鋪在縱梁上)鋼橋相比，具有剛度大，行車噪聲小，乘客舒適度高等優點。 ^[1] 

1 加載工況 ：

為研究橋樑在不同荷載作用下的受力特性，同時檢驗結構在運營階段能否滿足高速鐵路橋樑的功能要求，在考慮加載能力與試驗條件等因素後，確定 5 種試驗工況：

a、工況 1：全橋均布，按 50 kN/m 加載。

b、工況 2：半橋均布，按 50 kN/m 加載。

c、工況 3：全橋偏載，按50 kN/m 加載。其中：縱梁1 和2 按 30.45 kN/m 加載，縱梁 3 和4 按19.55kN/m 加載。

d、工況4：半橋偏載，按50 kN/m 加載，加載方式與工況 3 的相同，但只在左半橋加載。

e、工況5：全橋均布，超載，按 84.75 kN/m 加載，其中，一期恆載補載 32.1 kN/m，二期恆載為23.1kN/m，1.5 倍雙線全橋滿布 ZK 活載為 29.55 kN/m。

對於工況 5，為了模擬實橋受力狀態，在一期恆載進行補載。其主要原因是：在自重作用下，為保證模型和實橋應力一致， 模型材料容重應為實橋的 8 倍，這實際上不可能做到，因此，採取了補載措施。 ^[1] 

2 加載方法 ：

實橋所受荷載為均布荷載。試驗加載時，按荷載等效原則，選擇在縱梁上方混凝土板施加等效集中荷載來替代。

3 測點佈置和測試方法 ：

試驗主要測試橋樑位移和應力。測量位移時，順橋向分別在橋頭以及 L/8，L/4，3L/8 和 L/2 處佈置測點，橫橋向分別在橫樑正中、橫樑與外縱梁交接處和橫樑與系梁交接處佈置測點。 ^[1] 

1 計算軟件及分析模型的建立 ：

根據試驗模型結構尺寸，採用通用有限元軟件包ANSYS 建立空間力學模型，模型中，拱肋採用 3 節點空間曲梁單元 beam189，系梁、縱、橫樑、橫撐和吊杆則採用空間直梁單元 beam44，混凝土板採用空間殼單元 shell63。在鋼與混凝土板結合區域，不考慮兩者之間的滑移，邊界條件按實際情況施加。 ^[1] 

2 位移 ：

高速鐵路對橋樑剛度要求較高。

a、橋樑剛度較大，在荷載 50 kN/m 作用下(相當於倍雙線 ZK 活載的2.54 倍)，工況 1~4 的豎向撓度最大為 11.46 mm，撓跨比為 1/1 527，依然滿足規範要求。

b、工況1 的豎向撓度約為工況2 的一半，工況 3的豎向撓度約為工況 4 的一半。説明荷載相同時，半橋加載引起的撓度比全橋加載的大。

c、工況 3 和 4 在偏載作用下，採用鋼與混凝土結合橋面後，橋樑側向剛度和抗扭剛度都較大，抵禦偏載能力也較強。

d、工況5 的撓度和荷載都約為工況1 的1.68 倍，説明在運營階段，橋樑一直在線彈性範圍內工作。

e、各工況的位移實測值與計算值較吻合。

3 應力包括以下幾項：

1） 拱肋應力 ；2） 系梁應力； 3 縱梁應力；4 橫樑應力； 5 吊杆應力；6 橫撐應力 ；7 混凝土板應力 ；

^[1] 

鋼管混凝土拱橋的施工比較複雜，對結構變形的控制要求較高。為保證該橋施工過程中的安全及完工後達到設計要求，對該橋施工過程進行全過程監控十分必要。

本橋特點：①拱、梁施工採用滿堂支架法，先系梁、後拱；②系梁採用滿堂支架現澆；③拱設置有製造預拱度；④吊杆內力需要調整；⑤系梁未設計預拱度；⑥拱肋鋼管直接埋入拱腳混凝土中，其定位精度要求高；⑦拱腳內鋼束佈置較多，且和拱肋鋼管交叉，施工難度較大。 ^[2] 

系梁跨度 96 m，為二向預應力體系( 拱腳段為三向) ，且設計要求一次澆築完成，混凝土施工難度較大。在系梁施工過程中，支架變形、吊杆張拉都會影響系梁線形。如果系梁線形誤差過大，必將引起吊杆安裝困難或引起吊杆在拱肋、系梁吊杆孔內不順暢。不僅影響後期減震裝置的安裝，還將直接影響吊杆的耐久性。為此，在施工過程中，應特別注意控制系梁高程、平面位置的精度。 ^[2] 

主要對系梁控制截面頂部應力進行測試，得到拆架、張拉吊杆、鋪設鋪裝層時系梁應力，並與理論計算值進行對比。 ^[2] 

拱腳段鋼管拱肋直接埋入拱腳段混凝土內，且和縱、橫向預應力鋼束交叉，其定位精度將直接影響後期拱肋的線形。因此在澆築系梁混凝土前，應嚴格控制預埋鋼管空間座標、傾角，以防在澆築混凝土後發現偏位而返工的後果。 ^[2] 

拱肋空間位置決定拱軸受力狀態。本橋拱肋製造設預拱度，在安裝時應按帶預拱度的設計座標定位，且應考 慮支架本身的豎向變形。即在安裝各拱段時，拱段間接頭處應設置考慮支架本身豎向變形、製造預拱度引起的預拱度。 ^[2] 

在拱腳、拱頂等控制截面設置應力測點，得到拆除拱肋支架、澆築拱內混凝土、張拉吊杆、鋪裝附屬設施等主要工序時拱肋的內力變化，並與理論計算值進行對比，驗證拱肋受力情況。 ^[2] 

在張拉過程中，除由張拉千斤頂控制張拉力外，應採用索力測試儀監控吊杆錨固後的內力，以確保吊杆內力在錨固後達到設計要求。 ^[2] 

按設計要求，在完成橋面附屬設施、道砟後，需測量各吊杆內力，並根據情況進行調整。由於系梁、拱肋變形和各吊杆內力相互耦合，因此，在張拉吊杆前，需提前對各吊杆張拉順序、張拉力大小進行理論分析，確定張拉順序，以指導吊杆內力調整施工。 ^[2] 

支架結構作為本橋主要臨時受力結構，在搭設前應對其進行內力、結構形式複核；同時對施工過程中支架的變形進行檢測，以確保全橋施工過程安全。 ^[2] 

系杆拱橋是指由拱、系杆（或系梁）、吊杆和橋面板等協同工作的組合結構橋樑，以系杆（梁）承受拱腳水平推力為特徵。按照承載形式，又可以分為下承式、中承式和上承式。相對而言，已建的絕大多數的系杆拱橋都是中、下承式。所謂系杆拱即是設置通長的系杆（梁），拱肋與系杆（梁）之間設置吊杆或立柱，它通過系杆拉力來平衡拱腳的水平推力，使結構成為無推力或少推力的結構，故也稱為自平衡拱橋或自錨式拱橋。這種自平衡拱橋，在地質條件不適合修建有推力拱的地區尤其具有競爭力。 ^[3] 

中承式提籃拱橋的空間結構效應比較明顯，拱肋對稱往橋樑中心傾斜，拱軸線為空間曲線，兩片拱肋在拱頂間距小，在拱腳間距大，外形類似中國傳統的竹籃手柄，因而得名“提籃拱”。提籃拱雖然拱肋內傾，卻給人平穩、和諧、舒適的感覺，這主要是拱肋內傾形成“人”字結構，似乎可以相互支撐，並不會造成將要倒塌的感覺。

提籃拱橋具有空間曲線的優美，一般為三跨，從縱橋向看，主拱及兩個半拱 （曲梁） 三跨拱橋一字排開，就像一隻展翅欲飛的“飛燕”，景觀造型極佳，成為城市的一處勝景。 ^[3] 

垂直拱受力合理，所以它的經濟性突出，結構尺寸相對較小，節省材料，造價低廉。與傾斜拱相比，不論是恆載還是活載作用下，垂直拱的拱肋彎矩、軸力均最小，吊杆拉力也最小，但系杆拉力卻比傾斜拱略大。垂直拱在一階失穩模態下的彈性穩定係數比提籃拱小、比外傾拱大。但對於大跨徑的垂直拱來説，在考慮材料非線性和幾何非線性等多種因素情況下，它的非線性穩定卻比傾斜拱要高，極限承載力也比傾斜拱大。由此可見，從結構受力來説，中承式垂直拱橋的功能性較強，傳力直接，價廉物美，所以得到了廣泛、長久的普遍應用。 ^[3] 

出於對新結構及景觀的追求，在垂直拱及提藍拱的基礎上又發展了外傾拱橋。外傾拱橋以其新、奇、特的感官刺激滿足了人們的求變心態。外傾拱橋典型的結構型式為中承式，拱腳固結，在拱肋與橋面相交處設置強勁的橫撐 （橫樑），橋面以上一般不設風撐，好似敞開了寬闊的胸懷，顯得生動而大氣。外傾拱橋給人的感覺與傳統的垂直拱或提籃拱的穩重樸實感完全相反，它給人的是一種奇特、變異、新穎的不平衡感，符合現代的思想和風尚。 ^[3]