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%。

一般在方案阶段，也可按F=qL²/8f 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。

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，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。

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1、图2）。

图1  桥梁立面

图2  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3、图4）。

图3 桥梁上弦、竖杆、斜杆

图4 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5）桥面铺装采用环氧沥青。

图5  下弦钢箱梁断面

3、桥梁技术特点