本发明属于拱桥系统，涉及新型上承拱桥。
背景技术：
拱桥以承受轴向压力的拱圈或拱肋为主要承重构件，拱结构由拱圈(拱肋)及其支架组成。中国拱桥建于东汉中后期，有1800多年的历史。河北省赵州桥的敞肩拱是中国第一座建于隋朝伟大事业年间（公元605-618年）的敞肩拱。它是由著名工匠李春设计和建造的。它有大约1400年的历史。它是世界上最早、最完美的古代敞肩石拱桥。现代中国拱桥技术的不断创新和进步始于改革开放时期。经过几十年的发展和创新，中国的拱桥技术已经位居世界第一。拱桥不仅是中国最常用的公路桥梁类型，也是铁路桥梁跨越各种障碍的首选。
拱系统不同于其他系统的一个主要特点是，在垂直载荷下，拱脚有水平推力，正是由于水平推力，使拱产生轴向压力，大大降低跨弯矩，使其主拱截面主要承受轴向压力，截面应力分布比弯曲梁更均匀，使主拱截面材料强度充分发挥，跨度能力增加。
拱桥是桥梁的基本系统之一，一直是大跨度桥梁的主要形式。拱桥也是中国最常用的桥梁类型。它的风格和数量是各种桥梁类型的冠。拱桥可采用砖、石、混凝土等抗压材料施工；大跨度拱桥采用钢筋混凝土或钢材施工，以承受产生的扭矩。拱桥可以以不同的方式分类，其中根据桥面的位置可分为上承拱桥、中承拱桥和下承拱桥，上承拱桥可分为实腹拱桥和空腹拱桥。目前上承拱桥最常用的结构有两种:一种是普通上承拱桥，由拱肋、拱上传力构件和主梁组成，拱肋是主要承重结构；另一种是整体上承拱桥，由拱肋和主梁组成，拱肋是主要承重结构。上承拱桥桥面结构简单，施工方便，桥跨主承重结构宽度较小（或密集排放），节省墩砌体；此外，桥梁视野开阔。由于上承拱桥结合了许多优点，使该桥具有良好的竞争力，特别是在山区建造桥梁时，上承拱桥往往是最佳选择。
拱桥在受力性能上有很大的优势，在造型上有很好的景观价值。目前，世界著名的上承拱桥包括美国新河峡大桥，全长924m，主跨518m，是世界上跨度第三长的拱桥，桥面高于峡谷267米，是美国第一高，世界第二高。克罗地亚克尔克大桥主跨390m，大跨度钢筋混凝土拱桥。重庆万州长江公路大桥主跨420m，是当时世界上跨度最大、规模最大的钢筋混凝土拱桥。在中国，沪昆高铁北盘江特大桥是高速铁路上最具代表性的上承拱桥，主跨445m，桥梁建成后，实现了钢筋混凝土拱桥最大跨度、高速铁路桥最大跨度、大跨度桥无碴轨道铺设技术、大跨度混凝土拱桥工艺和大跨度桥刚度控制工艺五大突破。云桂铁路的南盘江特大桥，主跨416m，高速铁路特大桥是世界上最大的跨度客货共
中国幅员辽阔，地形复杂。特别是在西部山区，线路需要穿越深邃的峡谷和陡峭的悬崖。在这种地形条件下修建桥梁具有很大的优势。然而，随着跨度的增加，拱肋作为弯曲构件的稳定性会迅速下降，通常需要加强横向支撑或桥宽来提高外部稳定性，但没有有效的方法来提高表面稳定性；承重拱柱重量大，增加拱肋负担，柱压会对拱肋产生负向力效应，拱肋稳定性不足更加突出。拱桥在半跨荷载作用下，其跷跷板效应十分明显，极大地威胁着列车高速安全行驶。目前，我国高速铁路建设正在蓬勃发展。随着列车速度的加快，拱桥的结构刚度越来越不能满足高速铁路安全舒适运行的要求。如何使系统桥梁获得更大的刚度，提高铁路速度和驾驶舒适性已成为近年来学者研究的一个重要课题。目前，传统的桥梁材料只有钢和混凝土，为了实现桥梁创新，材料创新，结构体系创新可以从根本上改变结构的力学性能，突破结构本身的瓶颈，本发明是通过增加V型结构部件使传统的承重拱桥有质的飞跃。
技术实现要素：
本发明的目的是解决现有上承拱桥的突出问题，提出一种新型上承拱桥。本发明新材料不多，可以大大提高结构的强度承载力、整体刚度、功率特性和稳定性，同时完全保留传统上承拱桥的优势。此外，本发明还可以降低矢跨比，消除拱桥在半跨荷载作用下的跷跷板效应，具有良好的景观效果。
本发明采用以下技术方案，现上述目的：
新型上承拱桥主要由拱肋、主梁、柱、墩组成；柱布置在拱肋与主梁之间；拱肋与主梁之间有多个V型结构件，V型结构件从跨度连续对称布置；V型结构件主要由两个刚性斜杆组成，V型结构件底部夹角θ取值在40°～120°之间；V型结构件的顶部与主梁连接，底部与拱肋连接，即V型结构件与主梁或拱肋形成三角形结构，通过三角形结构的角度约束主梁和拱肋，确保原结构拱肋或主梁位移包络图的最大位移和跨中位置，加强拱肋和主梁的弱点，同时，V型结构件的连续布置也可以减少结构的弯曲和剪切变形。
本发明新增材料不多，在完全保留传统上承式拱桥优势的同时，可大幅提高结构的强度承载力、整体刚度、动力特性及稳定性，此外，本发明还可减小矢跨比，消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。在本发明中作用于主梁上的荷载遵循以下传力路径：主梁→立柱/V型结构件→拱肋→基础。
本发明进一步说明，当新型上承拱桥跨度为300时m下面，拱肋和主梁两侧分别设置5个V型结构件；当新型上承拱桥跨度为300时m～450m拱肋与主梁两侧设置的V型结构件为6~7个；当新型上承拱桥跨度为450时m～650m时，拱肋和主梁两侧设置的V型结构件为8~9个；当新型上承拱桥跨度为650时m在上述情况下，拱肋和主梁两侧设置的V型结构件超过10个(含10个)。
本发明进一步说明，V型结构件从跨度连续对称布置到两侧，具体连接到两个相邻的V型结构件的顶部，最左边的顶部和最右边的顶部可以分别连接到主梁的两端，也可以连接到主梁和最外柱的交界处。也就是说，从左到右，第一个V个V型结构件的左顶与主梁的左端连接或与主梁和最左柱的交界处连接。第一个V型结构件的右顶与第二个V型结构件的左顶连接，最后一个V型结构件的右顶与主梁的右端或主梁与最右柱的交界处连接。
本发明进一步说明，新型上承拱桥包括普通上承拱桥和整体上承拱桥，采用空腹拱建筑，跨中无实腹段。
本发明进一步说明V型结构件腰部设置横联；横联的形状为一字型、横K型或米型。
本发明进一步说明拱肋采用钢结构、混凝土结构或钢混结构；V型结构件采用钢结构。横向连接采用钢结构。
本发明进一步说明拱肋为内倾布置或平行布置。
本发明进一步说明，当新型上承拱桥跨度较大时，刚性斜杆可与相交叉柱连接。
本发明的优点：
1.提高结构强度承载力。本发明在活载作用下结构变形小，应力水平低。
2.提高结构刚度。在每个拱肋和主梁之间增加12或14个刚性斜杆，形成13或15个三角形结构，从三角形结构的角度约束主梁，提高主梁的线刚度；底部与拱肋连接，提高拱肋的线刚度。因此，结构的整体刚度大大提高。
3.提高结构稳定性。本发明新型上承拱桥增加了刚性斜杆，提高了结构面内外的稳定性，特别是面内的稳定性。
4.改善结构动力特性。本发明新型上承拱桥动力特性改进效果明显，能使列车高速安全行驶，保证舒适性。
5.本发明新型上承拱桥矢跨比可尽可能小。矢高降低后，可降低施工难度，有利于结构抗震。
6.本发明的新型上承拱桥可消除拱桥在半跨荷载作用下的跷跷板效应。
附图说明
图1是本发明实施例中新型上承拱桥的布置形式1。
图2是本发明另一实施例中新型上承拱桥的布置形式2。
图3是图1和图2的俯视结构示意图。
图4是拱轴线与压力线的关系示意图。
图5是拱轴线偏移量示意图。
图6是拱肋在恒载作用下的应力示意图。
图7是恒载作用下拱肋的位移图。
图8是移动荷载作用下主梁的位移包络图。
图9显示了非保向力系对拱稳定性的影响。
图10为拱肋横向变形示意图。
图11为主梁横向变形示意图。
图12是拱桥在半跨荷载作用下的应力示意图。
图13是拱桥半跨荷载作用下的跷跷板效应示意图。
图14是本发明在半跨荷载作用下对刚性斜杆的分析示意图。
附图:1-拱肋，2-主梁，3-V型结构件，4-柱，5-墩。
具体实施方法
现结合图1-图14，对本发明的力学原理及其结构进行说明：
1.新型上承式拱桥成桥说明
及时添加V型结构部件，充分发挥其优势：拱圈安装后，安装V型结构部件和柱，最后安装主梁。此时，结构仍处于对称状态，因此拱肋在恒载状态下仍保留优势。V拱肋和主梁段形成的三角形结构不仅参与了抗活载和其他载荷，而且还参与了抗部分恒载荷，以减少移动载荷下的结构变形。
2.引入三角形概念，有效约束拱肋和主梁
三角形力的作用下，三角形的稳定性使其处于轴向变形状态。然而，与其他结构不同的是，桥梁主要受到移动载荷的影响，使上述三角形受到非节点力的影响，从而在一定程度上降低三角形的稳定性。因此，有必要为主梁设置足够密集的柱，增加对主梁的弹性约束，提高其线刚度，减少弯曲变形，使多个连续三角形具有良好的稳定性。基于以上分析，新拱桥在主梁与每根拱肋之间增加了几个V形结构，与拱、梁段形成几个连续的三角形结构，有效约束了主梁和拱肋，提高了结构的整体刚度。
3.三角形角点结合位移包络图合理布置
3.1拱肋弯矩图分析
拱桥的主要优点是采用拱轴减小弯矩，使其成为小偏心压力结构。其受力特点是拱顶受正弯矩影响，拱脚受负弯矩影响，1/4和3/4为反弯点。一般情况下，拱轴采用悬链线时，与三铰拱结构自重压力线的关系如图4所示。根据五据五点重合法确定。根据拱顶弯矩为零和结构自重的对称条件，拱顶仅通过截面重心的结构自重推力Hg，相应弯矩Md＝0，剪力Qd＝0。
在图4中，由∑MA＝0，得
由∑MB＝0，得/p>
Hgy1/4-∑M1/4＝0
将式(1-1)之Hg代入上式，可得
式中：∑Mj——半拱结构自重对拱脚截面的弯矩；
∑Ml/4——拱顶至拱跨l/4点区域的结构自重对l/4截面的弯矩。
等截面悬链线拱主拱圈结构自重对l/4及拱脚截面的弯矩Ml/4、Mj可由《拱桥》表(Ⅲ)-19查得。求得之后，可由下式反求m，即：
空腹式拱桥的m值，仍按逐次逼近法确定。即先假定一个m值，定出拱轴线，作图布置拱上建筑，然后计算拱圈和拱上建筑的结构自重对l/4和拱脚截面的力矩∑Ml/4和∑Mj，根据式(1-2)求出然后利用式(1-3)算出m值，如与假定的m值不符，则应以求得的m值作为新假定值，重新计算，直至二者接近为止。应当注意，用上述方法确定空腹拱的拱轴线，仅与其三铰拱结构自重压力线保持五点重合，其他截面，拱轴线与三铰拱结构自重压力线都有不同程度的偏离。计算证明，从拱顶到l/4点，一般压力线在拱轴线之上；而从l/4点到拱脚，压力线则大多在拱轴线之下。拱轴线与相应三铰拱结构自重压力线的偏离类似于一个正弦波(图5)。
由力学知识得到，压力线与拱轴线的偏离会在拱中产生附加内力。对于静定三铰拱，各截面的偏离弯矩值Mp可以三铰拱压力线与拱轴线在该截面的偏离值Δy表示(Mp＝Hg×Δy)；对于无铰拱，偏离弯矩的大小，不能以三铰拱压力线与拱轴线的偏离值表示，而应以该偏离值Mp作为荷载，算出无铰拱的偏离弯矩值。由结构力学知，荷载作用在基本结构上引起弹性中心的赘余力为
式中：
Mp——三铰拱结构自重压力线偏离拱轴线所产生的弯矩，Mp＝Hg×Δy；
Δy——三铰拱结构自重压力线与拱轴线的偏离值[如图(5)所示]。
由图(5)可见，Δy有正有负，沿全拱积分的数值不大，由式(1-4)知，ΔX1数值较小。若则ΔX1＝0。由计算得知，由式(1-5)决定的ΔX2恒为正值(压力)。任意截面之偏离弯矩(图5)为
ΔM＝ΔX1-ΔX2×y+Mp (1-6)
式中：y——以弹性中心为原点(向上为正)的拱轴纵坐标。
对于拱顶、拱脚截面，Mp＝0，偏离弯矩为
式中：ys——弹性中心至拱顶之距离。
空腹式无铰拱桥，采用“五点重合法”确定的拱轴线，与相应三铰拱的结构自重压力线在拱顶、两l/4和两拱脚五点重合，而与无铰拱的结构自重压力线(简称结构自重压力线)实际上并不存在五点重合的关系。由式(1-7)可见，由于拱轴线与结构自重压力线有偏离，在拱顶、拱脚都产生了偏离弯矩。研究证明，拱顶的偏离弯矩ΔMd为负，而拱脚的偏离弯矩ΔMj为正，恰好与这两截面控制弯矩的符号相反。这一事实说明，在空腹式拱桥中，用“五点重合法”确定的拱轴线拱轴，偏离弯矩对拱顶、拱脚都是有利的。因而，空腹式无铰拱的拱轴线，用拱轴线比用结构自重压力线更加合理。由以上分析可知，由于A、C处弯矩的作用，可使拱轴线向压力线靠拢。
3.2拱肋变形分析
拱肋在恒载作用下的受力示意图及位移图分别如图6、7所示，其最大变形位置发生在C(即L/2)处，可见，在恒载作用下，拱肋的薄弱位置在拱顶处。
3.3主梁变形分析
主梁在移动荷载作用下的位移包络图如图8所示，其最大变形发生在B(即L/4附近)处。可见，在移动荷载作用下，主梁的薄弱位置在L/4附近、3L/4附近处。
3.4三角形角点的合理布置
结合以上对拱肋和主梁受力及变形特征的分析，三角形角点布置的方法是：通过三角形角点分别对拱肋和主梁进行约束，以提高它们的线刚度，且保证有约束点落在拱肋和主梁位移包络图的极值点处，使主梁或拱肋的薄弱处得到加强，改善结构的力学性能。
4.三角形腰边的线刚度
为了提高三角形腰边的线刚度，可考虑在各V型结构中部设置横联，从而保证构件的局部稳定性。
5.V型结构非保向力正效应分析
由以上分析可知，新型上承式拱桥的V型结构在为拱肋与主梁提供更好相互约束的同时，还可有效提高拱肋稳定性。提高面内稳定性是显而易见的，对面外稳定性的影响分析如下：
对于上承式拱桥，由于负面的非保向力效应的影响，稳定性较差，当拱肋发生侧倾时，立柱发生倾斜，其对拱肋压力的水平分力有加速拱肋失稳的趋势。对于本发明，当拱肋发生横向失稳时，V型结构受到主梁施加的水平约束而变成侧向倾斜，如图9～11所示，其拉力T对主梁端部产生了一个向外的水平分力，主梁端部在限位器的作用下不会发生位移，而对拱肋产生了一个向内的水平分力：H(x)：
其中，
由此可见，V型结构对拱肋的非保向力产生了正面效应，而本文拱桥增设了若干个V型结构，非保向力作用更加明显，从而侧向稳定性亦有所提高。
6.V型结构消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应分析
传统上承式拱桥在受半跨荷载作用时(如图12所示)其“跷跷板”变形(如图13所示)十分明显，受半跨荷载作用的一侧拱肋与主梁均发生向下变形，而另一侧两者却发生向上变形，这对列车行驶极为不利。
本发明在拱肋和主梁间设置V型结构，其在减小拱桥受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应分析如下：
传统拱桥拱肋在受活载作用时的位移包络图与主梁相似(如图8所示)，呈“W”型，即从支座到跨中，变形先增大后减小。加设V型结构后，在受半跨荷载作用时其分析示意图如图14所示。由图8包络图可知，主梁与拱肋在1/4跨和3/4跨附近竖向位移最大，而在不同跨度处两者存在刚度差，故由图14可知，远离中跨的A处竖向位移△A大于跨中B处竖向位移△B，此时连接A、B两点的1#杆件有向下的位移趋势，而由于连接B、C两点的2#杆件的约束作用，根据变形协调原理，2#杆件的位移趋势也向下，因此与其相连的未受半跨荷载作用下的一侧拱肋与主梁的位移趋势将向下而不会像传统拱桥发生上翘现象。由此可知，在非对称荷载作用下，V型结构能发挥积极的正效应，使拱肋与主梁能可以更好地协同工作，从而消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。
7.新型上承式拱桥整体协作原理
三角形稳定性基于三角形受节点力作用，使其处于轴向变形状态。当荷载作用于三角形的边上时，会产生弯曲或其它变形，此时，其稳定性会快速下降。本发明在主梁与拱肋间增设若干个V型结构，使其与拱和梁段构成多个且连续的三角形结构(在主梁两端立柱或拱上立柱参与形成三角形)，从而对主梁与拱肋进行有效约束，提高结构的整体刚度。桥梁与其他结构不同的是，其主要受移动荷载作用，这样就会使以上形成的三角形受非节点力作用，从而在一定程度上使三角形的稳定性降低，为此，需在主梁和拱肋间设置足够密的立柱，以增加对主梁的弹性约束，提高其线刚度，从而减少弯曲变形。由于拱肋的抗弯刚度远大于主梁，足以抵抗立柱的力所产生的弯曲变形，从以上分析可知，多个连续三角形均能保证有良好的稳定性。
下面结合图1、2和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。
实施例：
本实施例的新型上承式拱桥的跨度布置(主跨445m)均与沪昆高铁北盘江特大桥(总投资4.5亿元)相同。具体为：一种新型上承式拱桥，主要由拱肋1、主梁2、立柱4和桥墩5组成；所述的立柱4布置在拱肋1和主梁2之间；在拱肋1和主梁2之间还设有若干个V型结构件3，并且V型结构件3从跨中向两边连续对称布置；所述的V型结构件3主要由两根刚性斜杆组成，并且V型结构件3的底部夹角θ取值在40°～120°之间；所述的V型结构件3的顶端与主梁2相连接，底端与拱肋1相连接，即V型结构件3与主梁2或者拱肋1形成三角形结构，通过三角形结构的角点对主梁2及拱肋1进行约束，保证有约束点落在原结构拱肋1或主梁2位移包络图的最大位移处及跨中位置处，使拱肋1及主梁2的薄弱处得到加强，线刚度亦得到提高，同时V型结构件3的连续布置还可减少结构的弯曲和剪切变形。本发明新增材料不多，在完全保留传统上承式拱桥优势的同时，可大幅提高结构的强度承载力、整体刚度、动力特性及稳定性，此外，本发明还可减小矢跨比，消除拱桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应，对高速铁路桥特别适用。具体比较方案如下：
采用如图1所示的结构形式时，在主梁的两侧均分别增设6个V型结构件。与沪昆高铁北盘江特大桥相比：本方案在主梁两侧分别增加了6个V型结构件，因此材料用量增加4％，但拱肋应力较沪昆高铁北盘江特大桥低，刚度显著提高，动力特性和稳定性也得到改善，故结构整体用料有所减少。因此，与沪昆高铁北盘江特大桥相比，新型上承式拱桥约可节省5％的费用。具体数据如下：新型上承式拱桥拱肋最大应力降低30％，刚度提高78％，稳定性提高了23％，首次发生面内振动的频率提高了47％。
采用如图2所示的结构形式时，在主梁的两侧均分别增设7个V型结构件。与沪昆高铁北盘江特大桥相比：本方案在主梁两侧分别增加了7个V型结构件，因此材料用量增加4.2％，但拱肋应力较沪昆高铁北盘江特大桥低，刚度显著提高，动力特性和稳定性也得到改善，故结构整体用料有所减少。因此，与沪昆高铁北盘江特大桥相比，新型上承式拱桥约可节省4.3％的费用。具体数据如下：新型上承式拱桥拱肋最大应力降低35％，刚度提高80％，稳定性提高了25％，首次发生面内振动的频率提高了48％。
实施例技术参数对比表