组合体系桥构造超全解析！（梁拱组合、刚构连续组合、张弦梁、桁架钢箱组合、部分斜拉…）

1）.拱肋拱式组合体系桥的基本组成和构造：拱式组合体系桥一般由拱肋、系杆、吊杆（或立柱）、行车道梁（板）及桥面等组成。

A.柔性系杆刚性拱：与普通中下承式拱相同

B.刚性系杆柔性拱：

a.可将拱肋高h从（1/100-1/120)L 压缩到（1/140-1/160)L。

b. 若采用刚性吊杆，则横向刚度较大的拱肋、吊杠与横梁组成半框架，一般情况下可不设横撑，设计成敞口桥，使视野开阔 。

2）.系杆

构造原则：一方面要考虑系杆与拱肋联接，保证系杆能很好地与拱肋共同受力；另一方面又要避免桥面行车道因阻碍系杆受拉而遭到破坏。构造上处理方法有：

a. 在行车道设置横向断缝

b. 系杠采用型钢或扁钢制造

c. 采用独立的钢筋混凝土或预应力系杆

3）.吊杆

吊杆一般是长细构件，设计时通常将其作为轴向受力构件考虑，故顺桥向尺寸一般设计得较小，使之具有柔性而不承受弯矩，只承受拉力，横桥向尺寸设计得较大，以增强拱肋的稳定性。

（1）简支梁拱组合体系桥

单肋：箱形加劲梁截面以加劲梁强大的抗扭刚度抵消偏载影响

（2）悬臂梁拱组合体系桥

单悬臂组合式桥梁只适用于上承式，采用转体施工特别方便。单悬臂梁拱组合式桥梁实际上是将实腹梁挖空，用立柱代替梁腹板，原腹板剪力主要由拱肋竖向分力及加劲梁剪力平衡。这样的结构加劲梁受拉弯作用，加劲梁采用预应力混凝土，拱肋为钢筋混凝土。

（3）连续梁梁拱组合体系桥

受力特点：

加劲梁→承担拉力及局部弯矩
拱肋→承担轴压力及弯矩，拱肋轴力的垂直分力承担剪力
立柱→传递压力
   空腹范围内加劲纵梁产生的拉力与拱内水平分力组成力矩，平衡截面内的连续梁弯矩，同时连续梁中墩附近的高度依靠拱来加大，使跨中弯矩减小，中墩处负弯矩产生的梁内拉力由预应力平衡。
    一般边跨与主跨之比为（0.5～0.7）:1

中承式连续梁拱组合体系桥一般由三跨组成，包括二个半拱、一个全拱和通长的加劲梁，其间设置立柱和吊杆。
    力学特点:在负弯矩区用桥面以下两组主拱腿来加强，在桥面以上正弯矩区用一组拱肋来加强，连续刚梁不仅承担弯矩与剪力，而且还需以轴向拉力来平衡拱的推力。
    一般边跨与主跨之比为（0.25～0.5）:1。
    由于中承式连续梁拱组合体系桥结构布置合理，造型美观，施工方便，是目前我国在梁拱组合体系桥的设计与建造中采用较多的一种桥梁形式。

c) 下承式

      下承式连续梁拱组合体系桥实际上为三跨变截面连续梁，中孔用全拱来加强
     力学特点:梁拱的弯矩按刚度分配,通过拱的加强,显著地减小了中跨主梁的弯矩,使得加劲梁的建筑高度可以大幅度减小，两个边跨由于受到中孔拱的刚度影响，减少了正弯矩的负担，扩大了负弯矩的区域，有利于配置预应力束。

重庆朝天门大桥（钢桁拱，主跨552m）

重庆菜园坝大桥（钢箱提篮拱与Y构组合）

广州丫髻沙大桥 （三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥，主跨360m）

1.部分斜拉桥结构形式及构造特点

a由 塔、梁、索 三部分组成

b部分斜拉桥结构形式和构造上又有显著的特点，主要体现在塔的高度 较矮、主梁刚度大和斜拉索布置较为集中 等方面。

c塔高h一般采用主跨L0的1/8～1/12倍，相当于斜拉桥塔高的1/2～1/3。。

主梁一般宜采用变高度截面，跨中梁高一般在（1/54～1/69）L0之间，是同跨径斜拉桥梁高的2～2.5倍；塔墩处主梁根部梁高一般在（1/32～1/39）L0之间。

d斜拉索布置较为集中，通常布置在边跨跨中及1/3中跨附近，中跨跨中无索区长度通常在（0.129～0.224）L0之间。

e在桥跨布置上，主边跨跨度比例更接近连续梁，一般在0.42～0.62之间；

f结构体系可选用塔梁固结并在梁底设支座、塔墩固结并塔梁分离、塔梁墩固结三种形式。

1）主梁

斜拉桥的主梁结构主要是采用混凝土结构、钢结构或者钢混组合结构，在截面形式上又可分为闭口截面和开口截面。

在进行静力计算时，混凝土截面均可采用普通梁单元来进行模拟，结果足够精确；对于钢箱梁截面的空间效应，最好是采用带第7个畸变自由度的空间梁单元来进行分析。

但在进行动力分析（抗风、抗震）时，主梁的模拟方法对结构动力特性的影响非常大。

主梁单元和节点的划分方式主要跟主梁的施工方法有关，在横梁相接处、典型截面位置、拉索锚固点、不同材料相接处、施工缝等这些位置都需要划分节点。

2）索塔

桥塔可采用混凝土结构、钢—混凝土组合结构或钢结构。对于混凝土索塔或者钢塔，在整体计算时可采用梁单元进行模拟，对于钢—混组合索塔，若在两个结点之间同时有两种材料，则可通过同时建立钢单元和混凝土单元来模拟；在索塔锚固区，单元长度拉索间距的1~3倍控制。

3）拉索

拉索的模拟分为两类：对于近千米或者超千米的斜拉桥，长拉索具有明显的非线性效应，可采用计入大变形的索单元或者悬链线单元来模拟；对于中小跨径斜拉桥结构，其斜拉索的模拟可采用Ernst公式修正的等效桁架单元(只受拉)结果足够准确。

4）索梁锚固、索塔锚固

拉索在梁和塔上的锚固点一般不与主梁、索塔截面的中性轴置相重合，之间都会有一段距离。

1）刚构—连续组合梁桥是 连续梁桥与连续刚构桥 的组合。通常是在一联连续梁的 中部数孔较高桥墩处采用墩梁固结的刚构，边部数孔为设置支座的连续结构。 从构造上可分为在主跨中设铰、其余各跨梁连续和全联梁不设铰两种组合梁桥形式，后者通常称为刚构—连续组合梁桥，最为常见；前者则称为带铰的刚构—连续组合梁桥。

2）刚构—连续组合梁桥上部结构通常采用 变高度箱形截面 ，截面尺寸拟定原则与连续梁桥及连续刚构桥相似。 桥墩可采用板式墩、双薄壁墩,V形墩 等形式。

3）刚构—连续组合梁桥通常采用 预应力混凝土结构 。

4）刚构—连续组合梁桥具有连续体系梁桥伸缩缝少、行车平顺等特点，有利于高速行车。与连续梁比，刚构—连续组合梁桥减少了造价较高的大吨位桥梁支座数量，减少了支座养护和更换的工作量，降低了使用期的维护费用；与连续刚构比，刚构—连续组合梁桥能有效地防止刚构过长而引起温度作用次内力过大的问题。

刚构—连续组合梁桥通常适合于桥墩高度相差较大的情况。对于地势较平坦的大跨径、低矮、长联的桥梁，也可采用刚构—连续组合梁桥，但应采用变换桥墩刚度的方法，增加连续刚构部分桥墩的柔度。

定义：用纵向水平缝将单梁的梁肋部分与桥面板（翼板）分隔开来  的装配桥跨结构，使单梁的整体截面变成板与肋的组合截面。

1.优点：可以显著减轻预制构件的重量，便于集中制造和运输吊装。

2.型式：

I形组合梁桥：适用于混凝土简支梁桥

箱形组合梁桥：适用于预应力混凝土梁桥

3.构造：在组合梁中，梁与现浇板的结合面处，板的厚度不应小于15cm；当梁顶伸入板中时，梁顶以上板的厚度不应小于10cm

（1）桁架拱桥

结构形式 ：

桁架拱桥又称拱形桁架桥。桁架拱桥是一种有水平推力的桁架结构，其上部结构由桁架拱片、横向联结系和桥面系组成。

上叶桥，浙江省三门县

桁架拱片是主要承重结构，由 上、下弦杆、腹杆和实腹段 组成

1. 作为主要承重结构的桁架拱片在施工期间单独受力，在竣工后与桥面板共同受力。

2. 下弦杆为拱形，上弦杆一般与桥道结构组合成一整体而共同工作.。

桁架拱在荷载作用下具有水平推力，使跨中实腹段在恒载作用下弯矩减小，主要承受轴向压力，在活载作用下将承受弯矩，成为一偏心受压构件，即具有拱的受力特点。

混凝土斜压杆式桁架拱桥

4.把普通型上承式拱的传载构件（拱上结构）与拱肋连成整体，拱与拱上结构共同受力，相当于加大了拱圈高度，各杆件又主要承受轴力，所以又具有桁架的受力特点。由于桁架拱兼备了桁架和拱式结构的有利因素，因此能充分发挥材料的受力性能。

混凝土斜拉杆式桁架拱桥

5. 由于桁架拱外部通常采用两铰结构，因而基础位移、温度变化等产生的附加内力较小，适合软弱地基需要。

6. 桁架拱桥：结构优缺点

1）优点：利用拱上建筑与拱圈共同作用原理，预制桁式拱片，装配程度高、整体性好，自重轻、用料省，适用于软土地基的中、小跨度桥梁。

缺点：节点开裂问题。大跨度桁架组合拱桥的适用性。

（2）刚架拱桥

刚架拱桥是由刚架拱片、横系梁和桥面系组成。

      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。

刚架拱桥属于有推力的高次超静定结构，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，可在软土地基上修建，被用于跨径为25m～70m的桥梁。

总体布置型式主要与桥梁跨径、荷载大小等有关。当跨径小于30m时，可采用只设主拱腿、不设次拱腿的最简单型式；当跨径在30m～50m时，为了减小腹孔段次梁的跨径，可以设置一根次拱腿。

刚架拱桥是拱与斜腿刚构的组合体系结构，主要特点有：结构为多次超静定，大部分构件偏心受压，无纯拉构件，充分利用了混凝土抗压能力强的特点；属有推力结构，但结构轻型，故恒载推力较常规拱桥小；结构线条简单，造型美观；与桁架拱比较，混凝土用量和钢筋用量均可减少，经济效益较明显；施工方法适用性强，可采用预制吊装、有支架吊装、悬臂拼装、转体施工法等。

（3）张弦梁

张弦梁，是由上弦的刚性构件(Beam)和高强度的张拉索/杆(String)，再通过若干个撑杆(Strut)连接而组成的刚柔混合结构，利用形抗和预张力抵抗外部荷载，是一种高效的大跨度空间结构体系。

张弦梁的演化

张弦梁结构的原理可追溯到19世纪初的铸铁桥，以及后来出现的拉杆拱、King Post桁架、自锚上承式悬带桥等。

张弦梁结构的演化

对于张弦梁的演化有很多种说法。一种是系杆拱增加撑杆的 “加法”演化 。对于系杆拱，拱的侧推力被拉杆平衡。但是，当拱的矢高比较低时，拱的压缩、弦的伸长导致结构矢高不断减小，拱可能会突然失去形态而破坏。如果在拱和弦之间增加撑杆，则结构矢高几乎不变，承载力大大提高。

从系杆拱到张弦梁的演化

另一种说法 是 ，鱼腹式桁架去掉斜腹杆的 “减法”演化 。下图是建造于1859年的皇家艾伯特桥，它采用了铁质鱼腹式桁架形式，每个桁架跨度达138.7米。

Royal Albert Bridge皇家艾伯特桥

鱼腹式桁架可以看作是拱(厚重的圆管)与缆索(铁质链片)的组合，互相抵消了水平力，形成自平衡式结构。如果将鱼腹式桁架的斜腹杆去掉，它与现在常见的张弦梁形式非常相似。

注：为了纪念工程师Brunel，

鱼腹式桁架又称为布鲁内尔桁架（Brunel truss）。

桥梁工程大师林同炎先生，在1972年设计了一座非同寻常的 倒悬索桥 —哥斯达黎加的里约科罗拉多大桥，桥梁主跨径108m。

整桥的竖向荷载由预应力悬索承担，桥面梁板结构既用于通车，又作为受压构件平衡悬索的水平力，也充分发挥了混凝土的抗压能力，一举两得。

1979年国际薄壳与空间结构学会(IASS)的年会上，日本大学斋藤公男(Masao Saito)教授，明确提出了张弦梁( Beam String Structure ,以下简称BSS)的结构概念，并研究了其基本受力特性和分析方法。从此，张弦梁开始在建筑结构领域得到应用。

酒田市纪念体育馆,1991, 斋藤公男+结构计画

1998年，天津大学刘锡良教授在国内首先开展了对张弦梁的研究，当时取用了日语“张弦梁”的直译名称，沿用至今。

张弦梁结构体系简结、受力清晰、形式多样，充分发挥了刚柔两种材料的优势，具有很广泛的工程应用。

张弦梁的特征

1.自平衡的轴力结构

拱、穹顶等轴力结构虽然效率较高，但支座的水平推力过大，往往成为结构设计的难点。与此相比，BSS结构是自平衡的，减轻了下部结构和基础的负荷。

2.以预应力控制内力

与系杆拱、鱼腹桁架相比，BSS结构最主要的特征是，利用施加的预应力控制上弦受弯构件的弯矩分布，减小构件的截面。 

施加多大的预应力是最优的？ 这与BSS的形态、矢跨比、预应力偏心等因素有关。下文的算例中，取BSS的梁构件为桁架(高跨比1/60)，张弦矢跨比约1/10。

梁的弯矩由三部分叠加：单独受弯时的弯矩、张弦引入预应力后产生的反向弯矩、预应力轴力偏心产生的弯矩，下图中 桁架的弯矩以上下弦各自的轴力表示。

 BSS的内力控制

基于梁(桁架)正负弯矩M相等的原则，最佳预应力值约等于1.02WL(均布荷载x 跨度的1.02倍)。此时桁架弦杆的轴力，只相当于单独承载时的19%。 注：文献1中另外一个双坡桁架梁的算例，最佳预应力值约等于1.20WL。

一般在方案阶段，也可按 F=qL ² /8f  来估算预应力(与上文的分析结果相近)。其中，q为结构自重，即预应力值大致抵消结构自重产生的弯矩。考虑到索的张拉时的伸长量，以及受动荷载作用时产生明显的变幅值应力，为确保索的抗疲劳，索的工作应力一般控制在 200~250 MPa。 

3.以预应力控制变形

BSS可通过张拉弦施加预应力消除重力荷载产生的挠度，不必起拱。与其它柔性结构类似，BSS在施加预应力时，梁向上拱起变形，结构形态不断变化。也就是说，结构的 零状态 (结构放样态)与 初始状态 (预应力施加完成后的状态)有比较大的差别。通常设计、制作、施工的全过程都以初始态的坐标作为基准值。

利用BSS的变形控制

张拉的方法一般分为“ 长度控制 ”和“ 张力控制 ”两种类型，需根据结构跨度、节点细部、施工误差的大小、工期、费用等因素综合判断。

由于索结构的非线性很明显，应用时必须加以注意初始位形、初始张力、容许变形量等问题。

BBS的施工方法：无支承式

此外，通过导入和微调张弦的预应力，利用变形控制功能，也有利于施工安装、吸收施工误差。 

4.附加荷载作用下的受力

BSS在结构造型阶段最重要的两个参数是： 形状比和刚度比 。

有学者研究发现，当α=10 ^-3 附近时张拉弦的效果显著。随着变小，κ<0.05时，BSS内力和变形急速增长。由此建议，简支BSS设计时，取 κ=0.05~0.1且α=10 ^-3 ~10 ^-4 的范围比较合理。

BBS内力和位移随刚度比变化

拱形结构对非对称荷载较为敏感，张弦梁同样如此。当拱梁刚度较小时，在非对称荷载作用下，张弦梁结构的变形和某些部位的应力甚至比全跨荷载作用下还要大。这种情况下需增加拱梁刚度以有效减小结构的变形及拱梁的应力。

 Kempinski Hotel 的张弦梁

此外，对于张弦梁结构的 支座水平刚度、非对称荷载、反对称荷载作用、非线性分析、节点设计、施工张拉方式 等问题，都比较复杂，需设计人员谨慎研究。

（4） 桁吊组合连续钢梁桥

桥　　名： 天津海河进步桥

桥　　型： 桁吊组合连续钢梁桥

跨　　径： 26m+128m+26m

设计单位： 天津市市政工程设计研究院

施工单位： 中铁十八局集团第五工程有限公司

1、概况

天津市进步桥工程西起南开区东马路，跨越张自忠路、海河以及海河东路，终止于河北区进步道与平安街交口处。桥梁跨径布置为26＋128＋26m ，其设计中线与海河河道斜交角度为8度，桥梁总长度180m（图1），在1、3号墩处设有连接地面道路与主桥人行道的坡道桥，另外在海河西岸亲水平台上设置人行梯道桥。

图1  天津进步桥全景

2、桥梁结构

该桥是（自锚式）桁吊组合钢结构桥，采用全焊工艺，采用桥梁用钢材Q345qD。桥梁跨径布置为26m＋128m＋26m，节间距16m（一榀），桁高13m，包括上弦杆、竖杆、斜杆、下弦杆（即行车道钢箱梁）以及连接上下弦杆的刚性吊杆等主要受力杆件（图2、图3）。

图2  桥梁立面

图3  桥梁横断面

1）上弦杆

分为主上弦杆和次上弦杆，其中主上弦杆共2根,为单箱单室钢箱梁结构形式，外形整体为双圆形，标准段宽1m，高1.4m，主跨部分为直线段（长130m），边跨部分为圆曲线段（半径25.8m、长27.6m），钢箱钢板厚度40毫米（跨中局部50mm），每隔4.0m设置一道横隔板，厚度12mm；次上弦杆2根为直径60cm的圆钢管，壁厚16mm，长133m，均为直线段。

两主上弦杆于边跨下弯，交于一点，与下弦钢箱锚固（图4、图5）。

图4  桥梁上弦、竖杆、斜杆

图5  上弦下弯段

2 ）竖杆

是由横向主、次竖杆组成的异形组合构件，沿纵桥向每16米设置一道，共9榀。竖杆纵桥向宽度为120cm，横桥向单体构件均为箱形，断面宽度70～150厘米，钢板厚度40毫米（1、2墩处50mm）。

3）斜杆

位于两根竖杆之间，一端与主竖杆、主上弦杆连接，一端与主梁连接，每个节间2根，全桥共16根。其标准断面为35×56cm箱型截面。与主梁联接部位两根斜杆交汇在一起，断面加大。斜杆钢板厚度为50mm（1、2墩相邻两排65mm），长度为20m。   

4）横撑

在主上弦杆之间设有主横撑和两中横撑，在主、次上弦杆之间设置次横撑。横撑均为箱形断面，钢板厚度20毫米（1、2墩处30mm），主、次横撑纵桥向分别为60cm、40cm，横桥向长分别为7.0m、5.0m，截面高度沿桥横向为变截面，主横撑40～70cm，次横撑30～70cm。两根主横撑之间设置1组V形撑，以提高主桁的整体刚度、稳定性能，以保证全桥简约、整齐的景观效果，V形撑为40cm×40cm的钢箱截面，钢板厚度20mm。

5）吊杆                                                      

在次上弦杆与主梁之间每16m设置一对吊杆，吊杆采用直径为10cm的实心钢拉杆，分别锚固在主梁及次上弦杆上。         

6）下弦（行车道梁）                    

M1 ～ M4 梁段梁高为 1.2m ， M4 ～ M5 为1.2m到1.5m的渐变段，其余主梁梁高均为1.5m（与跨径的比例值为1/85.33）。正常梁段内箱梁顶板厚度为14mm，底板厚度12mm，顶、底板在某些区域内加厚到20mm；腹板厚度在竖杆根部处的三片为40mm，其余为14mm；横隔板厚度14mm，横隔板间距4.0m。（图6）桥面铺装采用环氧沥青。

图6  下弦钢箱梁断面

3、桥梁技术特点

（1）进步桥造型独特，兼有连续梁、桁架及拱桥的受力特点，以单片树形（倒三角）竖杆支撑与吊杆组合代替常规的两片及多片支撑形式，突破了以往的桥梁体系，是一种新型的空间组合桥梁体系－自锚式桁吊组合结构钢桥。针对结构受力的复杂性，使用Ansys、Midas等大型通用有限元软件进行建模分析。

（2）两条平行的上弦通过下弯段横向相交于一点，与下弦钢箱形成锚固，造型新颖，下弯段上弦为变截面钢箱结构，设计及加工难度大。

（3）因该桥为全焊钢结构桥，多由空间异型杆件构成，大量的构件需要在现场焊接安装，且多为厚钢板（最厚65mm），所以对钢结构的加工、组装、焊接工艺以及精度要求均非常高。                                                                      

（4）上、下节点构造复杂，杆件受力集中，在使用有限元软件进行分析的基础上，特别对其进行了1：1的实体模型实验，单杆最大顶力为2000t。