全国一级注册结构工程师资格考试教程桥梁工程拱桥.ppt

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1、拱桥是一种既古老又年轻的桥梁形式，虽然在已经达到的跨度上，拱桥不及悬索桥和斜拉桥，但做为现代五大桥型之一，当选择大跨度桥梁时，在目前比较常遇到的200600m跨度范围内，拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞争对手。而在中、小跨度领域更具特色。我国公路桥梁中约有60%为拱桥。根据理论推算，钢拱桥的极限跨径可达1200m左右，混凝土拱桥的极限跨度可达500m左右。,一、拱桥的组成与类型 在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重结构的桥梁称为拱桥。拱桥与梁桥不仅外形不同，更重要的是两者的受力性能有原则差别。在竖向荷载作用下，拱的两端支承处除竖向反力外，还有水平推力。由于水平推力的作用，使拱桥的弯距将比相同跨径的

2、梁桥弯矩小得多，拱圈截面上以承受压力为主。 拱桥的主要优点有：1）能充分做到就地取材，可节省钢材和水泥；2）能耐久，养护费用少；3）构造较为简单；4）外形美观； 拱桥的主要缺点有：1）自重较大，相应水平推力较大，对地基条件要求高；2）建桥时间较长；3）由于水平推力的存在，在连续多孔的大、中桥梁中，为防止一孔破坏而影响全桥，需要采用较复杂的措施或设置单向推力墩，增加造价。,（1）拱桥的组成,图776,（2）按力学体系分类,图 777 拱桥的力学体系分类,组合体系的拱桥的桥面系行车道梁与主拱组合，共同受力（图777dg），以其整体作为承重结构。组合体系拱桥可分为无推力（下承式）的和有推力(中承式图

3、777h)或部分有推力（恒载下无推力，活载下有推力图777i、j ）三种。 无推力的组合体系系杆拱。承受拉力的系杆可以是单设的，也可以与行车道梁相结合。系杆拱的结构内部是多次超解定的。但它的外部约束，一端是固定铰支座，一端是活动铰支座，是静定的。作为结构的整体是无推力的，对地基的要求与静定结构相同（图777k） 。 有推力的组合体系：如桁架拱（图777l），拱片桥（图777m），刚性梁柔性拱（图777n是用拱从下面加强梁）等。 组合体系充分利用了结构各组成部分的承载能力，但不如简单体系受力那么明确，稍有不慎将会导致结点开裂，一部分组合功能可能失效。目前，在有高性能的材料，高性能预应力技术，和计

4、算机手段，拱式组合体系已经能够把握。,2）、组合体系拱桥,这里介绍各种拱桥的拱上建筑的构造，各种拱的横断面如图778所示。（1）板拱桥1、主拱圈板拱桥的主拱圈横截面，是实体的矩形截面（图778a）。拱桥拱圈多由料石砌筑；拱桥的拱圈有石砌体、混凝土砌块、素混凝土的；也有钢筋混凝土板拱。中小跨径的拱桥l0（1020）m常采用等截面圆弧拱（拱轴线为圆弧线）；（2030） l050m的拱桥，常采用变截面悬链线拱。四川省九溪沟石板拱桥跨度达116m（在世界上是少见的）。板拱桥的净矢跨比（fo/l0）一般为1/41/8，不宜小于1/8以免推力过大。,石板拱拱圈的石料一般采用粗料石，标号不低30号、砂浆不低

5、于7.5号；小跨径拱桥也有采用块石、片石砌体的。石拱圈的强度属于砌体的强度机理。石料规格，纵横错缝的间距、缝宽、砂浆等都要满足规范要求，以保证拱圈的强度和它的整体性。在拱圈中要特别强调的是，应使主要砌缝与拱轴线垂直；在拱脚与墩顶相接处，腹拱墩与拱圈相接处要采用五角石或混凝土拱座。 混凝土板拱的拱圈中，整体浇筑的混凝土拱圈强度属于混凝土强度机理。混凝土块材砌筑的拱圈属于砌体强度机理。它们的构造与施工都有所不同。,2、拱上建筑,板拱桥的拱上建筑有两类：实腹式拱上建筑见图776；空腹式拱上建筑见图779。 实腹拱上建筑由侧墙、护拱、防水层和泄水孔，拱腹填料等组成。侧墙用以承受拱腹填料及车辆荷载引起的

6、侧压力，用块石或片石砌筑、顶宽约0.50.7m。墙底厚度为墙高的0.4倍。护拱用以加强拱圈和敷设防水层，设在拱背l0/4处切线至邻孔拱圈或台身背面的范围内，可浇混凝土或用片石砌筑。拱上填料，要透水性好。,空腹拱上建筑有拱式和梁板式。拱式（图779b）由腹拱、横墙组成，板拱桥多采用这种形式。梁板式（图679a）由板（梁）、横梁、立柱组成。空腹拱上建筑的腹孔，一般布置在墩侧（1/41/3）l0范围内；腹孔跨径一般2.55.5m且不大于（1/81/15）lo；腹孔拱圈厚度（梁板尺寸及配筋）、横墙厚度（主柱尺寸及配筋）由计算确定。 为避免拱上建筑参与主拱圈工作而导致拱上建筑开裂、损坏，应将主拱圈拱脚附

7、近第一个腹拱做成三铰拱，并在拱上建筑内设伸缩缝和变形缝。伸缩缝一般设在主拱圈拱脚上方，横向贯穿全桥，断开侧墙、栏杆和人行道，缝宽23cm，要能维持两侧结构位移（温度的和受力的）不被约束，又要防水。在其他相对位移（受力的）较小处，可设只断开但不留间隙的变形缝。,图779 空腹式拱上建筑,肋拱桥的主拱圈由多条拱肋组成，如图778b所示。拱肋的数目、间距（一般45m）需经比较确定。外侧拱肋最外缘的距离不宜小于l0/20，以保证肋拱桥的整体稳定性。肋拱桥多为钢筋混凝土结构，也有用料石砌筑的。拱肋断面有矩形或工形；矩形拱肋的高度为（1/401/60）l0，肋宽为肋高的0.52倍，常用于中小跨径拱桥；工字

8、形拱肋的高度为（1/251/35）l0，肋宽约为肋高0.40.5倍，腹板厚0.30.5m。拱肋一般采用等高，大跨径也可以采用变高度。拱曲线常采用悬链线。 拱桥肋间设系梁。拱肋宽度小于横系梁间距的1/20时，应验算拱肋局部稳定性。拱上建筑常用空腹梁板式；由立柱、横梁和纵向板（或纵梁和横向行车道板）组成。,（2）肋拱桥,（3）双曲拱桥,拱肋有矩形，形和槽形的。拱肋高度为（0.30.5）H，拱肋宽为拱肋高的0.61.0倍。拱肋面积不得小于拱圈面积的1/4。拱肋可分成37段，采用干接头（焊接钢板、或法兰螺栓接头，用在无支架施工）或湿接头（用在有支架施工）在现场拼接。拱肋应嵌入拱座。拱肋上设槽齿和锚筋以

9、保证拱圈各部分组合。拱波跨径130200cm，厚68cm，矢跨比1/21/5，宽3050cm，内设钢筋610cm。拱波上浇拱背混凝土，厚1520cm，内设纵向钢筋。拱肋间设横隔板。 双曲拱的拱上建筑可采用实腹式或空腹式。采用空腹式拱上建筑时，多采用拱式结构。双曲拱桥的造型美观，又有“集零为整”的优点，曾用少量支架和轻型吊装设备修建了大量的桥梁，跨径由20100m的都有。这种桥型在六十年代曾风糜全国。但它的拱圈的整体性和抗扭刚度差。,箱形拱桥的主拱圈为箱形断面，如图778d所示。箱形断面的挖空率高，抗扭惯矩大，截面效率指标=k/h大（k上下核心矩之和，h截面高度），箱体刚度大，稳定性好。因此，在

10、跨度超过100m的拱桥中，普遍采用。 箱形拱的拱圈高度仍可用（7177）式估算，只是系数a、b的取值不同。对于单室箱形拱桥，a=70，b=100；对于多室箱形拱桥，a=60，b=100；k=1。 箱形拱桥的矢跨比一般为1/61/10。拱圈高度一般采用等高的，也有变高的。拱轴线多用悬链线。在箱形拱桥上，两种空腹拱上建筑都可采用。,（4）箱形拱桥,箱形拱桥的箱形截面常用预制的U形、工形、闭合箱形的箱肋组成，如图780。图中影线部分系现场混凝土，其他是预制部分。预制部的中间壁厚b=810cm，边壁厚b稍厚一些；底板厚t1=1014cm，顶板厚t2=1012cm，盖板厚e=68cm。两相邻预制箱下缘净

11、距d=45cm，箱壁间净距S1015cm，箱上现浇混凝土厚1015cm。箱肋可纵向分段预制，吊装就位后拼接成整体，浇现场混凝土形成主拱。四川万县长江公路桥，主拱圈由5片钢管混凝土劲性骨架组成的单箱三室断面，主孔跨径lo=420m，超过了l0=390m的南斯拉夫的KPK桥，成为世界大跨径最大的混凝土拱桥。,图780 箱形拱圈的组合方式（a）U形肋组合箱；（b）工字形肋组合箱；（c）闭合箱肋组合箱,钢管混凝土拱桥的主拱圈有单根的或成束的，内填混凝土的钢管组成，如图778e所示。主拱用钢和直径8001200mm，壁厚812mm；由1个、2个或4个钢管组成一个拱肋（管间用加劲板焊在一起）；拱肋间采用钢

12、管横撑。钢管可分段制造、吊装就位并拼焊后，用泵送混凝土填筑，施工十分方便。管内填筑的混凝土（标号3040号）被钢管横向约束，极限抗压强度有所提高，填筑微膨胀混凝土，延迟膨胀混凝土效果更好。钢管在施工中兼做模板、拱架，成桥后是主拱圈的一部分，经济效益明显。 钢管混凝土拱实质上是一种拱肋形式。在上承式、下承式和中承式拱桥中都有应用，还可用系杆拱并施加预应力。它的适用跨径涵盖了30200m很大的范围。,（5）钢管混凝土拱桥,钢筋混凝土刚架拱桥的上部结构，由刚架拱片、横系梁和桥面等几部分组成，如图781所示。,图781 刚架拱桥,（6）刚架拱桥,刚架拱片由主梁（实腹段）、主拱腿、次梁（腹孔的上弦杆）、

13、次拱腿（斜撑）构成。拱片相距23m，拱片间设横系梁上、拱片上设带加劲肋的微弯板并现浇混凝土形成桥面系。因此，它是一种拱桥的组合体系。 刚架拱桥拱片的各部件可分别预制。其吊装顺序为：吊装悬挂主拱腿；安装合拢实腹段形成裸拱；安装横系梁组成拱形框架；安放次拱腿、次梁、焊接腹孔接头钢筋和安装横系梁；浇接头混凝土，完成刚架拱片组装。 刚架拱桥的杆件数量少，整体性好，自重轻，材料省，对地基的要求不太高。拱腿的刚度小，不宜淹没在有漂流物的设计洪水位以下。它适用跨径3050m，矢跨比1/81/10。,三、拱桥的计算要点,图782 悬链线拱轴线,当m=1时的悬链线就是抛物线。实腹板拱桥，m值约在2.85.3之间。空腹变截面拱桥的m值约在2.24.3之间。空腹双曲拱桥的m值约在1.72.8之间。下承式的钢管混凝土拱桥的m值在1.21.7之间。 对于大跨径拱桥的拱轴线，常需经优选决定。如按“五点重合法”初选的拱轴线，在某些截面，与结构重力压力线偏离过大，或与结构重力及其弹性压缩和温度下降，混凝土收缩等组合下的纵向压力线偏离较大时，则应作适当调整，使这些控制截面的纵向力偏心距减小，应力分布趋于均匀。 同时，还应考虑拱轴线偏离结构重力压力线引起的附加内力。,