[分享]刚性拱pick了柔性索

众所周知，中国古代建筑中桥梁是一个重要的组成部分，拱结构作为桥梁的主要结构形式得到广泛的应用，一直延续至今。圆形拱在静水压力下和抛物线拱在水平均布荷载作用下及悬链线拱在竖向荷载作用下主要受均匀轴力作用，但在实际工程中不均匀的荷载作用或偏跨荷载作用形式随处可见，这可直接导致拱的承载力与刚度急剧降低。这就不得不对古时的拱结构在材料及结构形式上进行完善，为此人们充分利用索的受力特点将索和拱结合在一起，不仅较好的完善了纯拱结构的承载力对反对称几何初始缺陷敏感的问题，还在一定程度上“平衡”掉了拱结构在竖向荷载作用下产生比较大的水平推力问题。

图1 隋朝赵州桥

索拱结构作为索与拱组成的一种杂交结构，索的拉力作用使拱体产生轴向压力，减小了弯矩，理应更易失稳，但由于拱体本身受到拉索的约束作用，其结构的整体稳定性反而得到提高。故索拱结构根据组成及受力机理的不同，可以将索拱结构分为两大类：弦张式索拱结构、弦撑式索拱结构。

对于弦张式索拱结构，索的作用在钢拱产生变形时体现的更加明显，由于拉索的牵制作用大大减低了拱体对初始缺陷的敏感性，多数情况下不必对其施加预应力，在结构施工时以张紧为宜。在其使用期间允许拉索在可变荷载作用下松弛，但在永久荷载作用下拉索宜保持张紧状态。在近代索拱结构中泰晤士河谷大学学术资源中心及大阪国际机场候机楼屋盖结构很好地体现斜拉拱布索的结构形式。

（a）泰晤士河谷大学学术资源中心                                （b）大阪国际机场候机楼屋盖结构

弦张式索拱结构根据其拉索形式又细分为斜拉拱和车辐拱。

图3 斜拉拱布索形式

上图斜拉拱中图（a）对减小拱的支座水平反力和提高拱在半跨荷载作用下的刚度十分有效，但它所需的索较长，而且所有索需要锚固在拱脚部位，不仅给构造设计和施工带来不便，还会对建筑的净空造成较大损失。图（b）为分散布索，它需要的索张力较大，而因此又使拱中产生很大的压力。特别是从拱脚斜向拱顶的一对布索能提高水平荷载作用下结构的稳定性以及限制拱顶的水平位移。图（c）布索形式，能有效提高在偏跨荷载作用下的结构承载力，特别是对北方地区，这一布索方式能有效抵抗屋盖雪荷载的偏跨堆积作用。图（d）布索形式，对全跨均布荷载以及半跨均布荷载均有作用。

（2）车辐拱

车辐拱根据空间布置形式可再分为平面车辐式结构与空间球面车辐式结构。

图4 平面车辐式索拱结构

平面车辐式索拱结构顾名思义是形似自行车的车轮一样，由位于中心位置的一个索盘像拱上呈辐射状地连出若干拉索，不仅能发挥每根索的作用，而且能够预留一定的净空。这种布索方式使得拉索产生的张力能够有效提高拱的平面内刚度和稳定性。

图5 空间球面车辐式结构

空间球面车辐式结构是在平面车辐式结构的基础上绕垂直中心轴旋转而成。设一空间穹顶采用肋环型网格结构形式，可以在支座水平面上且垂直中线上一点向四周水平环向构件辐射拉索并与其连接，便形成空间球面车辐式结构。

弦撑式索拱结构是根据纯拱结构在全跨竖向均布荷载作用下的弯矩图形状来布置拉索和撑杆，拉索和撑杆应布置在受拉一侧，撑杆高度与弯矩值大小成正比，对拉索中施加预应力，通过撑杆为拱提供弹性支撑点，进而消除拱体中的弯矩峰值。在施加预应力时应与外荷载作用反向相反。

图6 弦撑式索拱结构

以上索拱结构布索形式多种多样，但其基本出发点都是一样的：利用拉索改善拱结构的受力性能，如减小拱脚水平推力，提高拱的稳定性和刚度，甚至改变拱的失稳破坏模式。

在初步了解索拱的基本组成和受力特点的基础上，下面通过与纯拱结构对比来重点分析弦张式索拱和弦撑式索拱在荷载作用下变形分布以及荷载位移曲线，以便读者进一步理解其受力变形规律。

1、弦张式索拱

（1）斜拉拱

如图7所示是关于弦张式斜拉布索方式与纯拱结构在半跨均布荷载作用下的变形发展趋势对比。对比结果表明，纯拱在布半跨荷载的位置发生向下位移，非荷载跨发生向上的挠曲。纯拱在半跨荷载作用下的弯矩增大，失去了以轴压力为主的受力优势。反观布置斜拉索的索拱正好能有效牵制非加载半跨向上的挠曲变形，进而使拱接近均匀轴压力的受力状况。

（a） 纯拱结构及其变形图

（1）车辐拱

如图8所示是弦张式索拱结构的另一种布设方式，6根拉索沿拱弧长均匀分布，从两拱脚处分别辐射两根拉索到拱顶区域与拱体连接，其他两根拉索分别在拱矢高约一半的位置水平偏斜布置。这种布索形式能有效控制风吸力的作用，在全跨与半跨水平均布荷载作用下的极限承重力较纯拱能提高2~3倍。

（a） 布索方式及荷载工况

2、弦撑式索拱

本文借鉴郭彦林、田广宇著的《索结构体系、设计原理与施工控制》一书中关于弦撑式索拱结构计算模型为读者做一个简单列举。现有研究结果表明，当圆弧拱的矢跨比大于0.15时，纯拱在均布荷载作用下的弯矩反弯点约位于拱轴线的3/10处。书中按照这一比例对弦撑式索拱进行拉索布设。在拉索高度上则根据最大正负弯矩值对比将负弯矩区域的拉索撑杆高度设为正弯矩区撑杆高度的0.8倍。弦撑式布索方式及荷载工况如图9所示。

图9 弦撑式布索方式及荷载工况

图10 弦撑式与纯拱荷载变形对比

如图10所示，在全跨均布荷载作用下，索拱结构的变形形状与纯拱结构差异较大。由于拉索的作用，索拱结构达到极值点时跨中的变形远小于相应的纯拱结构，这就表明了拉索有效控制了拱的变形。在半跨均布荷载作用下，索拱结构中的拱成反对称变形，其变形形状与半跨均布荷载作用下的纯拱结构类似，只是达到极值点时索拱结构的变形略小于纯拱结构，故而索拱结构中的索在结构承受半跨荷载时所发挥的作用不大。

  车站效果图

  车站内部图

 车站结构剖图

滑铁卢火车站的站房屋盖局部图

俯瞰图

侧面图

主站房屋盖为复杂的空间钢结构体系，由10榀平行列车轨道的拱桁架空间受力体系组成，中部5m高，3.8m宽的三角形屋脊大梁将10榀拱形体系纵向串联为一个整体。每榀立体拱桁架由一榀拱，两根横梁、6对V形撑、16根交叉索以及两根横梁间的纵向檩条组成。受力体系跨度为101.2~148.7m不等，最大悬挑月30m，每榀拱形体系通过几何单元的变化来模拟飞鸟展翅的状态，中间四榀拱的V形撑两两相连提高结构纵向抗侧刚度，最终形成一个结构新颖，造型独特的复杂空间结构。屋盖会直接落地，与下部高架候车层结构为相互独立的结构单元。

（a）

(b)

站房屋盖结构及其分解图

站房屋盖内景图

该工程主要受力为拉索拱结构，每个主拱的拱脚设置有4根梁拉索以抵消拱桁架对拱脚的部分推力，减小基础对侧向刚度的要求。整个结构布置36根拱脚拉索，长度110~140m不等。布置拉索的形式如下图,

拱脚拉索图

每榀拱架共有6对V形撑，从内到外分别是2对A、2对B、；2对C，如下图所示。每对V形撑上布置有3根拉索，每榀拱架布置有36根拉索，整个结构的V形撑上布置有360根拉索。

V形撑结构图

每榀拱架有8个位置的承重索和8个位置的抗风索，如下图所示，整个结构的抗风索有320根承重索和抗风索。

承重索和抗风索布置图

内部图

拉索拱结构上弦为焊接H型钢拱。为提高室内净空高度，每榀钢拱的下弦由2根相互交叉的预应力钢索构成，这比采用平直的下弦拉杆增加接近1m的净空。每根预应力钢索由31根直径为5mm，的镀锌钢丝组成，直径为32mm，外包双层PE保护层。镀锌钢丝抗拉强度标准值fptk=1670Mpa。两拱脚与新增钢柱连接部分采用可滑动橡胶支座连接。

新增结构层结构布置图   

    新增结构层 剖面图

俯瞰图

                  轴测图                                          平面图

新广州站主站房主要采用两种索拱结构，即内凹式索拱结构以及张弦梁结构(外凸式索拱结构)。相对其它索拱结构而言，索拱结构的一个明显的特点是采用双拱及双索体系，相当于是2榀平面索拱通过上弦连杆与拉索撑杆连接在一起的空间索拱。

(a)内凹式索拱结构                                (b)外凸式索拱结构