1.本发明属于桥梁建筑工程技术领域，特别涉及一种上承式钢拱桥抗震结构体系。


背景技术：

2.高山峡谷区域受大陆板块碰撞影响，普遍地震烈度较高。上承式钢拱桥具有造型美观、施工便捷、结构刚度大、抗震性能优、与环境适应性好等优点，主拱作为承压结构，天然适应高原山区峡谷地形，因此，在高原山区工程建设中得到广泛的应用实践。
3.上承式钢拱桥上部结构主要包括：主拱圈、拱上立柱和主梁，其中主拱圈刚度大，抗震性能强。对于拱上结构(拱上立柱和主梁)而言，目前国内外并没有专门的抗震措施，常规的抗震设计中，一般是将刚度极大的主拱圈等效为基础，而忽略了主拱圈的抗震参与性，将拱上立柱等效为普通桥墩，采用普通连续梁抗震设计思路，在主梁和拱上立柱(包含拱顶短立柱)间设置减隔震支座，以增大原结构体系阻尼或周期，通过变形耗能，降低主梁输入到拱上立柱的能量和地震力，最终主梁地震力和能量传递至拱上立柱，再通过拱上立柱传递至主拱圈。但随着拱桥的跨度越来越大，拱上立柱也越来越高，甚至高达90米，纵桥向刚度较小的拱上立柱往往成为抗震薄弱环节。
4.目前上承式拱桥的抗震设计，主要有如下两种方案：
5.1、在主梁和拱上立柱(包含拱顶短立柱)间设置阻尼器和减隔震支座。通过阻尼器和减隔震支座的减震耗能作用，虽然一定程度上可以减少地震力，但随着地震力的增加，阻尼力和减隔震支座将承受更大水平力，产品规格和造价也会大幅增加，施工安装难度相应增大，且为满足拱上立柱抗震受力要求，需要进一步增加拱上立柱的尺寸，使得工程投资进一步增大。在地震效应较大时，通常无法完全依赖阻尼器或减隔震支座保证结构不受破坏。且减隔震支座通过变形耗能，地震过程中，主梁变形较大，往往会对梁端伸缩装置和铁路桥梁轨道温度调节器造成破坏。
6.2、主梁和拱上立柱(包含拱顶短立柱)间设置阻尼器和变刚度支座。本方案在方案1的基础上，通过变刚度支座使各拱上立柱均匀承担主梁传递的地震力，结合阻尼器的作用，提高拱上结构抗震性能。但各支座刚度不同，均需特殊制作，工艺复杂，且随着地震力增加，阻尼器和支座成本会大幅增加，同时为满足拱上立柱抗震受力要求，需要进一步增加拱上立柱的尺寸，使得工程投资进一步增大。
7.所以，基于上述分析，目前亟需一种适应高原强震区、可有效提高结构抗震性能，消除结构抗震薄弱环节，并且具有较低成本、构造简单、施工方便的上承式钢拱桥新型抗震结构体系。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的上承式钢拱桥抗震功效较低、构造工艺复杂、成本较高等问题，本发明提供一种上承式钢拱桥抗震结构体系，该上承式钢拱桥抗震结构体系能适应高原强震区，能有效提高上承式钢拱桥整体抗震性能和防震减灾能力、消除结构抗震薄弱环
节，并且具有构造简单、实施方便、成本低等优点。
9.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
10.一种上承式钢拱桥抗震结构体系，包括：
11.主拱圈，其两端通过拱座固定在基础上；和
12.主梁，其在主拱圈竖向投影范围内至多包括一联梁体；主梁底部与主拱圈的拱顶通过拱顶短立柱刚性连接。
13.在上述技术方案的基础上，上承式钢拱桥抗震结构体系还包括若干对沿纵桥向设于主拱圈上的拱上立柱，拱上立柱沿纵桥向分布在拱顶短立柱两侧，且位于拱顶短立柱和拱座之间；拱上立柱顶部设有支座，支座的顶面直接顶撑主梁，下端固定在拱上立柱上。
14.在上述技术方案的基础上，拱上立柱的纵桥向线刚度≥1/50kn/cm时，支座采用纵桥向活动支座；拱上立柱的纵桥向线刚度＜1/50kn/cm时，支座采用纵桥向固定支座。
15.在上述技术方案的基础上，主拱圈包括一对拱肋下弦和一对拱肋上弦，该对拱肋上弦由若干沿横桥向延伸的上平联连接，拱顶短立柱底部至少固定在一个上平联上或同时固定在拱肋上弦和上平联上。具体地，拱顶短立柱的横断面为箱形，其上部固定在主梁底板上，底部固定在一个上平联上或同时固定在拱肋上弦和上平联上。
16.在上述技术方案的基础上，主拱圈还包括用于连接一对拱肋下弦的下平联，上平联和下平联之间设有若干横联。
17.在上述技术方案的基础上，主拱圈为钢箱结构、钢箱桁架结构或钢管混凝土桁架结构；主梁为钢箱梁或钢-混叠合梁；拱上立柱为钢结构或钢-混组合结构。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
19.本发明提供的上承式钢拱桥抗震结构体系抗震原理简洁清晰，通过主梁与主拱圈刚性连接，地震发生时，主梁巨大的地震力直接传递至主拱圈，进而通过拱座传递至基础，地震力传力路径直接高效。主梁与拱上立柱间只需设置普通支座，解决了常规设计中拱上立柱与主梁之间需要设置减隔震支座、变刚度支座和阻尼器等复杂减隔震措施，地震力需通过多个拱上立柱传递至主拱圈，拱上立柱抗震能力不足的问题，有效减少拱上立柱破坏，使得上承式钢拱桥抗震设计更为合理。有效减少了拱上立柱承担的地震力，拱上立柱截面尺寸更优化，进而减小了拱上立柱用钢量，且当地震力增加时，避免了拱上立柱尺寸的需相应增加的问题，同时本抗震结构体系只需采用普通支座，避免了大吨位减隔震支座、阻尼器等减隔震措施的设置，具有良好的经济性，且构造简单，受力明确，施工方便，结构耐久性好，具有良好的推广价值。
附图说明
20.图1是本发明实施例提供的上承式钢拱桥抗震结构体系的布置图。
21.图2是拱上立柱及主梁的横断面布置图。
22.图3是拱顶短立柱、主梁和主拱圈上平联刚性连接横断面布置图。
23.图4是拱顶短立柱、主梁和主拱圈上平联刚性连接纵剖面布置图。
24.图5是拱顶短立柱箱形截面示意图。
25.图6是拱顶短立柱与主拱圈拱肋上弦和上平联同时刚性连接方案示意图。
26.图7为本发明实施例普通支座安装示意图。
27.其中：1、主拱圈；2、拱上立柱；3、主梁；4、拱座；5、交接墩；6、引桥墩；7、桥台；8、拱顶短立柱；9、纵桥向活动支座；10、纵桥向固定支座；11、拱肋下弦；12、拱肋上弦；13、拱肋腹杆；14、上平联；15、下平联；16、横联；17、拱上立柱盖梁；18、主梁底板；19、支座上座板；20、支座下座板。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
31.本发明涉及到的支座均为普通支座，纵桥向活动支座9和纵桥向固定支座10之间的不同仅在于支座沿纵桥向是否可以活动。
32.如图1所示，本发明提供的上承式钢拱桥抗震结构体系，包括主拱圈1和主梁3，主拱圈1两端通过拱座4固定在基础上；主梁3在主拱圈1竖向投影范围内至多包括一联梁体；主梁3底部与主拱圈1的拱顶通过拱顶短立柱8刚性连接。基于该技术方案，拱顶短立柱8上端与主梁3底部刚性连接、下端与主拱圈1刚性连接，保证了主梁3与主拱圈1间不会发生纵桥向、横桥向的相对位移和相对转动。拱顶短立柱8在满足施工空间的情况下，高度应尽可能小，以减小拱顶短立柱8所受纵桥向弯矩，并减少结构用钢量。主梁3两端放置在桥台7上，桥台7在主拱圈1竖向投影范围外，因此，主梁3包括主拱圈1竖向投影以上范围内的部分和竖向投影范围外的部分；本发明要求主梁3在主拱圈1竖向投影以上范围内必须设置为一联，必要时，也可以包含引桥部分联跨设置为一联，甚至全桥主梁3设置为一联。
33.在上述技术方案的基础上，上承式钢拱桥抗震结构体系还包括若干对拱上立柱2，拱上立柱2沿纵桥向分布在拱顶短立柱8两侧，且位于拱顶短立柱8和拱座4之间；拱上立柱2顶部设有支座，支座的顶面直接顶撑主梁3，下端固定在拱上立柱2上。如图1所示，这些高低不一的拱上立柱2沿纵桥向设于主拱圈1上，并沿纵桥向分布在拱顶短立柱8两侧，且位于拱顶短立柱8和拱座4之间。基于该技术方案，主梁3位于主拱圈1拱顶两侧的部分由设于主拱
圈1上的拱上立柱2支撑，以提高主梁3在竖向上的稳定性。进一步地，主拱圈1两侧还设有交接墩5和引桥墩6，交接墩5下端固定在主拱圈1的拱座4上，引桥墩6的下端固定在主拱圈1两侧的基础上，均用于支撑主梁3延伸至主拱圈1竖向投影范围外的部分。
34.在上述技术方案的基础上，拱上立柱2的纵桥向线刚度≥1/50kn/cm时，支座采用沿纵桥向活动支座；拱上立柱2的纵桥向线刚度＜1/50kn/cm时，支座采用沿纵桥向固定支座。以上拱上立柱2纵桥向线刚度的计算方法为业界通用：在拱上立柱2顶端沿纵桥向力f(kn)，测量顶端沿纵桥向位移为δ(cm)，则其沿纵桥向线刚度为f/δ(kn/cm)。纵桥向线刚度较大的交接墩5、引桥墩6和桥台7的顶部同样设置纵桥向活动支座9。
35.基于以上技术方案，本发明在拱顶处将主梁3与主拱圈1通过拱顶短立柱8刚性连接，主梁3与纵桥向线刚度大的拱上立柱2在纵桥向上活动连接，这些纵桥向线刚度大的拱上立柱2只负责竖向支撑主梁3，并不约束主梁3沿纵桥向位移。当地震发生时，主梁3巨大的纵桥向地震力和能量通过刚度极大的主梁主拱圈刚性连接处(即拱顶短立柱8)直接传递至主拱圈1，进而通过拱座4传递至基础。拱上立柱2不再承担主梁3传递的地震力，只承担拱上立柱2自身地震力，大幅减小拱上立柱2所受的地震力，提高了拱上立柱2的抗震性能。具体地，每对拱上立柱2的顶部通过一沿横桥向的拱上立柱盖梁17连接，支座下端固定在拱上立柱盖梁17上，且每一拱上立柱盖梁17上设有至少两个支座，支座顶面直接接触主梁3底面。纵桥向线刚度≥1/50kn/cm的拱上立柱2采用纵桥向活动支座9，即支座可沿纵桥向活动，实现主梁3相对拱上立柱2的相对移动；纵桥向线刚度小于1/50kn/cm的拱上立柱2采用纵桥向固定支座10，即支座沿纵桥向固定，刚度小拱上立柱2沿纵桥向刚度和稳定性差，本身无法约束主梁3的纵桥向位移，通过纵桥向固定支座10实现拱上立柱2相对主梁3不可发生相对移动，进而通过主梁3沿纵桥向的运动提高拱上立柱2的稳定性。
36.在上述技术方案的基础上，主拱圈1包括一对拱肋下弦11和一对拱肋上弦12，该对拱肋上弦12由若干沿横桥向延伸的上平联14连接，拱顶短立柱8底部至少固定在一个上平联14上或同时固定在拱肋上弦12和上平联14上。刚性连接方式不限于采用焊接或高强螺栓连接方式，所述刚性连接位置不限于短立柱与上平联之间、短立柱与上平联和拱肋上弦之间同时连接。
37.在上述技术方案的基础上，拱顶短立柱8的横断面为箱形，其上部固定在主梁底板18上，固定方式不限于采用焊接或高强螺栓连接方式。
38.在上述技术方案的基础上，主拱圈1还包括用于连接一对拱肋下弦11的下平联15，上平联14和下平联15之间设有若干横联16，拱肋下弦11和拱肋上弦12之间设有拱肋腹杆13。在上述技术方案的基础上，主拱圈1为钢箱结构、钢箱桁架结构或钢管混凝土桁架结构；主梁3为钢箱梁或钢-混叠合梁；拱上立柱2为钢结构或钢-混组合结构。
39.具体地，如图1所示，本发明实施例提供的上承式钢桁拱桥，主要结构包括主拱圈1、拱上立柱2、主梁3、拱座4、交接墩5、引桥墩6、桥台7。其中主拱圈1包括拱肋下弦11、拱肋上弦12、拱肋腹杆13、上平联14、下平联15、横联16。主梁3采用钢箱梁结构，且在全桥范围设置为一联。本实施例中拱顶短立柱8采用矩形钢箱结构，采用熔透焊焊接方式上端和主梁底板18焊接牢固，下端和上平联14焊接牢固，实现主梁3和主拱圈1的刚性连接。主梁3与拱上立柱2、交接墩5、引桥墩6、桥台7之间设置纵桥向活动支座9或纵桥向固定支座10，支座设置于拱上立柱盖梁17上。该上承式钢桁拱桥中，主梁3和主拱圈1通过拱顶短立柱8刚性连接在
一起，主梁3和刚度大拱上立柱2及墩台之间设置纵桥向活动支座9，主梁3与刚度弱拱上立柱2之间设置纵桥向固定支座10，因此拱上立柱2不约束主梁沿纵桥向位移。当地震发生时，根据结构传力刚度分配原则，主梁3地震力通过刚度巨大的拱顶短立柱8传递至拱肋上平联14，从而传递至主拱圈1，至拱脚处传递至拱座4，进而传递至基础。拱上立柱2只承担竖向支撑主梁3作用，大幅减小拱上立柱2所受的地震力，有效减少拱上立柱2破坏，提高了拱上立柱2的抗震性能，同时减小拱上立柱2的结构尺寸，从而减小拱上立柱2用钢量和造价。
40.区别于既有常规上承式拱桥抗震设计思路只注重于拱上立柱和主梁间减隔震设计，在拱上立柱(包含拱顶短立柱)和主梁间设置减隔震支座，将刚度大的主拱圈等效为基础，而忽略了主拱圈的抗震参与性。以上实施例将上承式钢桁拱桥上部结构(主拱圈、主梁、拱上立柱)作为整体统筹考虑抗震设计，主拱圈直接承担主梁传递的地震荷载，拱上立柱只负责支撑主梁作用，结构抗震原理清晰，地震力传递路径简短，整体地震力传递直接高效，消除了传统抗震设计中拱上立柱2抗震的薄弱环节，大幅提高了整个结构的抗震性能，拱上立柱2截面尺寸更优化，只需采用普通支座，避免了常规设计中减隔震支座和阻尼器的等复杂减隔震措施的设置、以及地震力通过众多拱上立柱传递至主拱圈，传力路径漫长，拱上立柱承担地震力大的缺点，经济性好，构造简单，受力明确，施工方便，结构耐久性好。
41.图7为本实施例普通支座安装示意图，普通支座均为行业标准制式产品，包含纵桥向活动支座9和纵桥向固定支座10。如图7中所示，支座上座板19与主梁底板18通过螺栓固定连接；支座下座板20与立柱盖梁17顶面通过螺栓固定连接。纵桥向活动支座9的支座上座板19可相对于支座下座板20滑动(在行业内为成熟工艺)，从而实现纵桥向活动支座9的沿纵桥向活动。纵桥向固定支座10的支座上座板19与支座下座板20锁死，无法相对滑动(在行业内为成熟工艺)，从而实现纵桥向固定支座10的沿纵桥向固定功能，避免了刚度小的拱上立柱2和主梁3的相对移动，从而通过主梁3提高刚度小的拱上立柱2的稳定性。
42.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。