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【摘 要】 随着交通事业的快速发展，桥梁工程也得到了人们的关注，由于混凝土系杆拱桥兼有拱桥跨越能力大和简支梁桥地基适应能力强两大特点，且结构轻盈、造型优美、地质条件良好等优点被广泛的应用。我院设计的无锡市西环线工程跨洋溪河桥，经过方案比选，最终采用系杆拱方案。也是介于上述原因。洋溪河为V级航道，通航尺寸为45X5m。系杆拱方案主跨为80m，与河道斜交35°。分为左右两幅，系杆宽150cm，高200cm。拱肋宽140cm，高180cm。矢跨比为1：4.5。宽跨比1：4。横向风撑采用K字型风撑。通过参与洋溪河桥的设计工作。本文就混凝土系杆拱桥设计作简单的总结与分析，并对优化该类桥梁设计进行探讨。
【关键词】 混凝土；系杆拱桥；稳定性；优化设计；
一、系杆拱桥的概述与特点
在桥梁行业发展的开始阶段，其结构一般是梁及拱等单一的结构形式，桥梁的受力简单、明确，造型清晰，但是，近年来，伴隨着计算机技术的快速发展和人们在桥梁建设实践中对工程经验的不断总结和研究，新的结构形式不断推出，组合结构也应运而生，梁拱组合体系就是其中一种。混凝土系杆拱桥梁拱组合体系是指将主要是受压拱助组合和车道梁进行有效的结合，梁拱组合体系能充分的在混凝土系杆拱桥工程中发挥其特点，有效节约成本及施工材料，增大了对混凝土系杆拱桥对地基适应能力。梁拱结构的桥梁并不是系杆结构的拱桥，但是桥梁工程师一般都将平衡推力的拱桥、少推力的拱桥和无推力的拱桥称为系杆拱桥。早期的系杆拱桥专指柔性系杆刚性拱桥，系杆仅用来平衡水平推力，后期的系杆拱桥才出现了同时承受水平推力和兼做行车道梁承受桥面车辆荷载的情况。一般的混凝土系杆拱桥就是梁拱组合结构，共同承担混凝土系杆拱桥的荷载。有效的发挥混凝土系杆拱桥中拱的受压、梁受弯的特点，具有较好的发展前景。这种结构主要特点如下：
（一）结构特点。系杆拱桥作为外部静定的结构，减小了水平推力，降低了对下部结构的要求，对地基沉降适应性较强，能够应用于软土地基和高壤的情况。同时由于拱助分担了系杆拱桥的刚度，使得系梁的高度得到了较大的降低，缩短了引桥的长度，从而降低了造价。
（二）受力特点。相对于一般的承受水平推力较大的拱，系杆拱的拱助内力要小很多，加大了拱助的承压能力；吊杆对桥面具有连续支撑的作用，有效的减少了系梁的弯矩，也不断的降低系梁的高度，系杆拱桥的抗弯能力之所以比较强，是因为和拱助压力和系杆拱桥有效的组成了内力较大的桥梁，桥梁的跨度越大，其轴力就越大，系杆拱桥承受的抗弯能力的越强。
（三）适用性。系杆拱桥的应用比较广泛，跨度较大的桥梁一般采用悬索桥和斜拉桥，跨度较小的桥梁一般采用连续梁和简支梁，这中间所有的跨度一般都适用于系杆拱桥。同时系杆拱桥造型美观，样式多变，是城市桥梁常用的选择。
二、混凝土系杆拱桥设计中存在的问题
（一）设计师是根据现有的经验公式或者是已经建成的桥梁的参数来拟定尺寸的，没有统一的标准，往往是在一定的范围内取值，这需要一定的经验积累，对于初级桥梁设计师有一定难度；当设计师拟定尺寸是根据现已建成的桥梁的参数时，如果所选取的桥梁尺寸不经济，那么所设计出来新的桥梁也不经济；
（二）设计人员在调整结构尺寸时，很难通过单参数调整来得到一个非常经济的结果。这主要是因为各参数之间相互稱合，例如对于系杆拱桥，当系杆尺寸被调整到合理的最小尺寸时，拱助的尺寸未必小，同样当拱助的尺寸被调整到合理的最小尺寸时，系杆的尺寸未必小；另外这种调整方法需要反复的进行重分析，非常浪费时间。
总之，传统的桥梁设计方法对设计人员的经验要求高，设计时间长，设计结果不经济，浪费资源。因此，要优化桥梁的设计，保证桥梁工程的安全。通过这样的优化设计，主要达到以下两个目的：1.设计过程不再过度依赖设计师的经验，而是能够自主的进行优化；2.计算过程不再需要大量的时间，却能够得出比较使设计者满意的结果。3.能够综合考虑桥梁中尽可能多的参数，使得优化更加全面。
三、拱桥稳定性的影响因素
对于大跨度混凝土系杆拱桥而言，随着跨径的不断增加，宽跨比逐步减小，结构更为纤柔，结构的横向稳定性问题更为突出。稳定性问题是系杆拱的核心问题之一。根据总结分析，影响系杆拱稳定性的因素主要有以上几个方面：
（一）吊杆非保向力的作用。系杆拱桥的桥面横向刚度与吊杆非保向力有关系，采用吊杆横梁与桥面板固结的方式保证整个系杆拱桥的整体性，增加系杆拱桥桥面的横向刚度，是吊杆的非保向力发挥其至关重要的作用。 本桥单幅桥宽20m，设两道拱肋，每道拱肋共设16道吊杆，间距为4.60m，经计算，比较合理，安全可靠。
（二）拱肋矢跨比的影响。混凝土系杆拱桥的拱肋矢跨比从1/20增大到约1/3，混凝土系杆拱桥的拱肋矢跨比横向稳定荷载也随着不断的增加。但当混凝土系杆拱桥矢跨比增大到1/2时，混凝土系杆拱桥拱肋矢跨比的临界荷载逐渐的减小。分析表明，矢跨比取1/6～1/3即可获得较好的横向稳定性。本桥矢高为18m，主跨跨径80m，矢跨比为1：4.5。方案经济合理，外观美观。
（三）拱肋间横向风撑的形式与刚度。采用X型、K型风撑能够为混凝土系杆拱桥提供较大的剪切刚度，其效果更为理想。对于中小跨度的混凝土系杆拱桥，一般采用一字型横向风撑能够刚好满足中小跨度系杆拱桥刚度要求。当系杆拱桥跨度较小时，风撑刚度的提高主要是增加了约束作用的旋转和增加拱肋拱桥的整体稳定性。但随着拱肋间距的增加，尤其是当桥梁跨度增大时，增加混凝土系杆拱桥风撑刚度对整个桥梁工程稳定性的提高作用会逐渐削弱而变得不太经济，这个时候要适当增加混凝土系杆拱桥风撑数量才显得比较合理。介于跨径较大，本次设计选择了刚度较大的K型风撑，增强了系杆拱的整体稳定性。
（四）横梁刚度的影响。端横梁可以对混凝土系杆拱桥的拱脚固定连接的有效。中横梁则有效加强了系杆拱的横向整体性。一般中小跨径系杆拱桥，混凝土系杆拱桥拱肋横向连接设置之间的相对薄弱，有的混凝土系杆拱桥甚至不设置风撑，在这种情况下，横梁的刚度是特别重要的。本桥共设2道端横梁，16道中横梁。端横梁宽190cm，高200cm。中横梁宽90cm，高155cm。并设置了预应力。刚度较大，对系杆拱的整体起了很大作用。 （五）桥面刚度的影响。根据混凝土系杆拱桥桥面的横向刚度设置非保向力，当系杆拱桥的桥面不仅是要作为其纵向连接和横向刚度的来源时，混凝土系杆桥梁的桥面系刚度比较弱，当系杆拱桥的拱肋发生横移时，其桥梁系也会随之发生横移，混凝土系杆拱桥的非保向力就不断的变小，当系杆拱桥桥面系横向刚度变小时，系杆拱桥的桥面系刚度对其临界荷载不断的增大，当混凝土系杆拱桥桥面系刚度变大时，桥面系趋于稳定。本桥设计了20cm厚的桥面板+10cmC50砼铺装，大大增加了桥面系的横向刚度。
四、设计的问题分析
（一）桥梁横断面布置。根据的系杆拱桥的桥面和道路横断面的宽度不同进行不同的布置，截面系杆拱桥布置的也更加灵活。通常一个系杆拱桥的拱肋设置在道路横向15m。如果掐面宽度不宽，一般在道路的两侧各设置一个拱肋，可以形成有效的双拱肋系杆拱桥。对于高级公路的宽度相对比较宽时，，由于一般的道路中央都设置分隔带，所以安排三拱肋。 本桥半幅宽20m，并结合道路横断面布置，设计两道拱肋，分别布置于中央分隔带及侧分带处，外侧人行道采用横梁外挑。比较经济合理。
（二）系梁、横梁尺寸的拟定。在刚性系杆拱桥结构中，纵梁通常是作为一个区域进行布置纵向拉杆预应力，因此，其大小应设置为预应力标准。中小跨径的钢管混凝土拱桥系梁的高度和宽度一般在1.5～2.0m。在梁高的选择时应结合混凝土系杆拱桥拱肋的横向间距及吊杆垂直间距，一般在水平跨度1/12～1 /18，一般预应力钢筋混凝土桥梁结构，设计的端横梁主要应考虑系杆拱桥拱肋的约束效应，以提高整个系杆拱桥的稳定性，所以，一般将系杆拱桥的端横梁的大小进行适当的增大，或成箱形截面进行设计。本桥系梁宽150cm，高200cm。端横梁宽190cm，高200cm。比較安全可靠。
（三）水平系杆。混凝土系杆拱桥水平拉杆主要涉及选择系杆的安全系数。由于系杆是钢管混凝土桥梁的一个重要组成部分，因此，应适当增加混凝土桥梁系杆的安全系数。考虑到混凝土桥梁工程系杆将承受一定的弯矩和系梁内应保持永久的预应力系数，通常混凝土系杆拱桥所需的总预应力钢束应为恒载常规计算后所需钢束的2倍。
结束语：
在我国现阶段，混凝土系杆拱桥在我国桥梁行业的应用比较广泛，所以，在系杆拱桥规划设计时，要加强其设计的安全性，保证混凝土系杆拱桥的整体稳定性，提高系杆拱桥的质量，保证人们的生命财产安全，促进系杆拱桥工程的快速发展。
参考文献：
[1]公维宝.钢管混凝土系杆拱桥施工监控技术浅析[J].甘肃科技，2013，23：135-137.
[2]付建宇.钢管混凝土刚架系杆拱桥施工监控的研究和应用[D].内蒙古科技大学，2012.
[3]吕俊平.钢管混凝土系杆拱桥施工控制[D].浙江大学，2013.
[4]周传林.钢管混凝土系杆拱桥施工控制的研究[D].南京林业大学，2007.
[5]赵修祥.钢管混凝土系杆拱桥施工阶段受力特性分析[D].山东建筑大学，2012.
[6]黄云. 钢管混凝土系杆拱桥空间稳定性分析. 桥梁建设2014-4
[7]公路桥梁设计通用规范（JTG D60-2004）.
[8]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTG D62-2004）.
【关键词】 混凝土；系杆拱桥；稳定性；优化设计；
一、系杆拱桥的概述与特点
在桥梁行业发展的开始阶段，其结构一般是梁及拱等单一的结构形式，桥梁的受力简单、明确，造型清晰，但是，近年来，伴隨着计算机技术的快速发展和人们在桥梁建设实践中对工程经验的不断总结和研究，新的结构形式不断推出，组合结构也应运而生，梁拱组合体系就是其中一种。混凝土系杆拱桥梁拱组合体系是指将主要是受压拱助组合和车道梁进行有效的结合，梁拱组合体系能充分的在混凝土系杆拱桥工程中发挥其特点，有效节约成本及施工材料，增大了对混凝土系杆拱桥对地基适应能力。梁拱结构的桥梁并不是系杆结构的拱桥，但是桥梁工程师一般都将平衡推力的拱桥、少推力的拱桥和无推力的拱桥称为系杆拱桥。早期的系杆拱桥专指柔性系杆刚性拱桥，系杆仅用来平衡水平推力，后期的系杆拱桥才出现了同时承受水平推力和兼做行车道梁承受桥面车辆荷载的情况。一般的混凝土系杆拱桥就是梁拱组合结构，共同承担混凝土系杆拱桥的荷载。有效的发挥混凝土系杆拱桥中拱的受压、梁受弯的特点，具有较好的发展前景。这种结构主要特点如下：
（一）结构特点。系杆拱桥作为外部静定的结构，减小了水平推力，降低了对下部结构的要求，对地基沉降适应性较强，能够应用于软土地基和高壤的情况。同时由于拱助分担了系杆拱桥的刚度，使得系梁的高度得到了较大的降低，缩短了引桥的长度，从而降低了造价。
（二）受力特点。相对于一般的承受水平推力较大的拱，系杆拱的拱助内力要小很多，加大了拱助的承压能力；吊杆对桥面具有连续支撑的作用，有效的减少了系梁的弯矩，也不断的降低系梁的高度，系杆拱桥的抗弯能力之所以比较强，是因为和拱助压力和系杆拱桥有效的组成了内力较大的桥梁，桥梁的跨度越大，其轴力就越大，系杆拱桥承受的抗弯能力的越强。
（三）适用性。系杆拱桥的应用比较广泛，跨度较大的桥梁一般采用悬索桥和斜拉桥，跨度较小的桥梁一般采用连续梁和简支梁，这中间所有的跨度一般都适用于系杆拱桥。同时系杆拱桥造型美观，样式多变，是城市桥梁常用的选择。
二、混凝土系杆拱桥设计中存在的问题
（一）设计师是根据现有的经验公式或者是已经建成的桥梁的参数来拟定尺寸的，没有统一的标准，往往是在一定的范围内取值，这需要一定的经验积累，对于初级桥梁设计师有一定难度；当设计师拟定尺寸是根据现已建成的桥梁的参数时，如果所选取的桥梁尺寸不经济，那么所设计出来新的桥梁也不经济；
（二）设计人员在调整结构尺寸时，很难通过单参数调整来得到一个非常经济的结果。这主要是因为各参数之间相互稱合，例如对于系杆拱桥，当系杆尺寸被调整到合理的最小尺寸时，拱助的尺寸未必小，同样当拱助的尺寸被调整到合理的最小尺寸时，系杆的尺寸未必小；另外这种调整方法需要反复的进行重分析，非常浪费时间。
总之，传统的桥梁设计方法对设计人员的经验要求高，设计时间长，设计结果不经济，浪费资源。因此，要优化桥梁的设计，保证桥梁工程的安全。通过这样的优化设计，主要达到以下两个目的：1.设计过程不再过度依赖设计师的经验，而是能够自主的进行优化；2.计算过程不再需要大量的时间，却能够得出比较使设计者满意的结果。3.能够综合考虑桥梁中尽可能多的参数，使得优化更加全面。
三、拱桥稳定性的影响因素
对于大跨度混凝土系杆拱桥而言，随着跨径的不断增加，宽跨比逐步减小，结构更为纤柔，结构的横向稳定性问题更为突出。稳定性问题是系杆拱的核心问题之一。根据总结分析，影响系杆拱稳定性的因素主要有以上几个方面：
（一）吊杆非保向力的作用。系杆拱桥的桥面横向刚度与吊杆非保向力有关系，采用吊杆横梁与桥面板固结的方式保证整个系杆拱桥的整体性，增加系杆拱桥桥面的横向刚度，是吊杆的非保向力发挥其至关重要的作用。 本桥单幅桥宽20m，设两道拱肋，每道拱肋共设16道吊杆，间距为4.60m，经计算，比较合理，安全可靠。
（二）拱肋矢跨比的影响。混凝土系杆拱桥的拱肋矢跨比从1/20增大到约1/3，混凝土系杆拱桥的拱肋矢跨比横向稳定荷载也随着不断的增加。但当混凝土系杆拱桥矢跨比增大到1/2时，混凝土系杆拱桥拱肋矢跨比的临界荷载逐渐的减小。分析表明，矢跨比取1/6～1/3即可获得较好的横向稳定性。本桥矢高为18m，主跨跨径80m，矢跨比为1：4.5。方案经济合理，外观美观。
（三）拱肋间横向风撑的形式与刚度。采用X型、K型风撑能够为混凝土系杆拱桥提供较大的剪切刚度，其效果更为理想。对于中小跨度的混凝土系杆拱桥，一般采用一字型横向风撑能够刚好满足中小跨度系杆拱桥刚度要求。当系杆拱桥跨度较小时，风撑刚度的提高主要是增加了约束作用的旋转和增加拱肋拱桥的整体稳定性。但随着拱肋间距的增加，尤其是当桥梁跨度增大时，增加混凝土系杆拱桥风撑刚度对整个桥梁工程稳定性的提高作用会逐渐削弱而变得不太经济，这个时候要适当增加混凝土系杆拱桥风撑数量才显得比较合理。介于跨径较大，本次设计选择了刚度较大的K型风撑，增强了系杆拱的整体稳定性。
（四）横梁刚度的影响。端横梁可以对混凝土系杆拱桥的拱脚固定连接的有效。中横梁则有效加强了系杆拱的横向整体性。一般中小跨径系杆拱桥，混凝土系杆拱桥拱肋横向连接设置之间的相对薄弱，有的混凝土系杆拱桥甚至不设置风撑，在这种情况下，横梁的刚度是特别重要的。本桥共设2道端横梁，16道中横梁。端横梁宽190cm，高200cm。中横梁宽90cm，高155cm。并设置了预应力。刚度较大，对系杆拱的整体起了很大作用。 （五）桥面刚度的影响。根据混凝土系杆拱桥桥面的横向刚度设置非保向力，当系杆拱桥的桥面不仅是要作为其纵向连接和横向刚度的来源时，混凝土系杆桥梁的桥面系刚度比较弱，当系杆拱桥的拱肋发生横移时，其桥梁系也会随之发生横移，混凝土系杆拱桥的非保向力就不断的变小，当系杆拱桥桥面系横向刚度变小时，系杆拱桥的桥面系刚度对其临界荷载不断的增大，当混凝土系杆拱桥桥面系刚度变大时，桥面系趋于稳定。本桥设计了20cm厚的桥面板+10cmC50砼铺装，大大增加了桥面系的横向刚度。
四、设计的问题分析
（一）桥梁横断面布置。根据的系杆拱桥的桥面和道路横断面的宽度不同进行不同的布置，截面系杆拱桥布置的也更加灵活。通常一个系杆拱桥的拱肋设置在道路横向15m。如果掐面宽度不宽，一般在道路的两侧各设置一个拱肋，可以形成有效的双拱肋系杆拱桥。对于高级公路的宽度相对比较宽时，，由于一般的道路中央都设置分隔带，所以安排三拱肋。 本桥半幅宽20m，并结合道路横断面布置，设计两道拱肋，分别布置于中央分隔带及侧分带处，外侧人行道采用横梁外挑。比较经济合理。
（二）系梁、横梁尺寸的拟定。在刚性系杆拱桥结构中，纵梁通常是作为一个区域进行布置纵向拉杆预应力，因此，其大小应设置为预应力标准。中小跨径的钢管混凝土拱桥系梁的高度和宽度一般在1.5～2.0m。在梁高的选择时应结合混凝土系杆拱桥拱肋的横向间距及吊杆垂直间距，一般在水平跨度1/12～1 /18，一般预应力钢筋混凝土桥梁结构，设计的端横梁主要应考虑系杆拱桥拱肋的约束效应，以提高整个系杆拱桥的稳定性，所以，一般将系杆拱桥的端横梁的大小进行适当的增大，或成箱形截面进行设计。本桥系梁宽150cm，高200cm。端横梁宽190cm，高200cm。比較安全可靠。
（三）水平系杆。混凝土系杆拱桥水平拉杆主要涉及选择系杆的安全系数。由于系杆是钢管混凝土桥梁的一个重要组成部分，因此，应适当增加混凝土桥梁系杆的安全系数。考虑到混凝土桥梁工程系杆将承受一定的弯矩和系梁内应保持永久的预应力系数，通常混凝土系杆拱桥所需的总预应力钢束应为恒载常规计算后所需钢束的2倍。
结束语：
在我国现阶段，混凝土系杆拱桥在我国桥梁行业的应用比较广泛，所以，在系杆拱桥规划设计时，要加强其设计的安全性，保证混凝土系杆拱桥的整体稳定性，提高系杆拱桥的质量，保证人们的生命财产安全，促进系杆拱桥工程的快速发展。
参考文献：
[1]公维宝.钢管混凝土系杆拱桥施工监控技术浅析[J].甘肃科技，2013，23：135-137.
[2]付建宇.钢管混凝土刚架系杆拱桥施工监控的研究和应用[D].内蒙古科技大学，2012.
[3]吕俊平.钢管混凝土系杆拱桥施工控制[D].浙江大学，2013.
[4]周传林.钢管混凝土系杆拱桥施工控制的研究[D].南京林业大学，2007.
[5]赵修祥.钢管混凝土系杆拱桥施工阶段受力特性分析[D].山东建筑大学，2012.
[6]黄云. 钢管混凝土系杆拱桥空间稳定性分析. 桥梁建设2014-4
[7]公路桥梁设计通用规范（JTG D60-2004）.
[8]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTG D62-2004）.