拱桥构造-设计-计算.ppt

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1、第三篇 拱 桥,第一篇 混凝土拱桥,拱桥的现状和发展 1、拱桥的发展,拱桥,国外：,石拱，木拱,十八世纪,铸铁拱,十九世纪,钢拱 钢筋混凝土拱,国内：,石拱，木拱,双曲拱,桁架拱,钢筋混凝土拱,刚架拱 桁式组合拱,钢管拱 新型组合体系拱,1964年,70年代,80年代,80年代中,古代拱桥: 拱轴曲线造型的千变万化，其中最具有代表意义的是建于公元 595-605年的赵州桥（如图1所示，跨径L=37m）,图1 赵州桥,当代拱桥：结构型式与施工方法的丰富多彩如，97年 建成的重 庆万县长江大桥（图2所示，L=420m）， 广州丫髻 沙特大桥（图3，L360m）， 1932建成的澳大利亚 悉尼钢拱桥

2、（图4，L 503m ）及正在建设的鲁浦大 桥（L=550m）。,图2 1997建成的四川万县长江大桥,图3 广州丫髻沙特大桥,图 4 1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥,6,2、受力特点： 支座处存在水平推力 拱内产生轴向压力弯矩减少偏心受压应力较均匀,拱式桥,3、主要优缺点： 主要优点： 跨越能力大；能充分做到就地取材；耐久性好，养护、维修费用小；外形美观；构造较简单，有利于广泛采用。,主要缺点： 1）是有推力的结构，而且自重较大，因而水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，对地基要求也高； 2）由于水平推力较大，在连续多孔的大、中桥中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采取较复杂的措施

3、，或设置单向推力墩，增加了造价； 3）上承式拱桥的建筑高度较高。,拱桥的缺点正在逐步得到改善和克服：200600m范围内，拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞争对手,1-2 拱桥的组成及主要类型 一、拱桥的基本组成 1、上部结构： （1）主拱圈：主要承重构件 （2）拱上建筑：桥面系和传力构件或填充物 2、下部结构： 桥墩、桥台、基础,拱顶,拱脚,拱轴线,拱背,拱腹,起拱线,9,10,二、拱桥的主要类型及其特点,拱桥,板拱桥，肋拱桥，双曲拱桥，箱形拱桥,（一）按照结构受力图式分 按主拱圈与行车系之间相互作用的性质和影响程度，分三种类型：简单体系拱桥、组合体系拱桥及拱片桥。 1、简单体系拱桥,三铰拱,两铰

4、拱,无铰拱,2、组合体系拱桥 特点：梁和拱组合起来，共同承受桥面荷载和水平推力 （1）无推力组合拱桥（静定结构）,柔性系杆刚性拱(系杆拱),刚性系杆柔性拱(蓝格尔拱),双刚性(洛泽拱),尼尔森系杆拱,尼尔森蓝格尔拱,尼尔森洛泽拱,（2）有推力组合拱桥,倒蓝格尔拱,倒洛泽拱,（3）拱片拱属有推力拱 仅用于上承式拱桥,行车道系与拱肋刚性连成一整体，上边缘与桥面纵向平行，下边缘是拱形的有推力结构,（二） 按主拱圈截面形式分 1、沿拱轴线：（1）等截面 （2）变截面,等截面,等宽变高度截面,等高变宽度截面,2、横截面：,（1）板拱桥： 适用：地基好，中小桥,（2）板肋拱桥：拱圈由板和肋组成,（3）肋拱

5、桥：拱圈由板和肋组成 适用：多用于大、中跨桥,（4）双曲拱桥： 适用：多用于中、小跨桥,（5）箱形拱桥： 适用：用于大跨桥,17,三、拱桥实例介绍,我国公路桥中70%为拱桥。我国多山，石料资源丰富，拱桥取材以石料为主。,1）圬工拱桥（石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥，跨越能力较小）,18,2）双曲拱桥（中国首创的一种拱桥型式）,19,3）肋拱桥,1988广东广州流溪桥 （L=90m） 钢筋混凝土箱肋中承式拱，拱矢度1/4.5，全桥采用喷塑装修工艺，建筑宏伟壮丽，已成为公园的重要景观。,1983 台湾台北关渡桥 （L=165m） 中承式5孔连续系杆拱桥，中间孔跨度为165m，两侧孔跨度为143

6、m及44m，拱圈为抛物线。,1990江苏丹阳云阳桥（L=70m） 跨越京杭大运河，无粘结预应力系杆拱，3根拱肋，矢度1/5，拱轴系数m=1.0，单箱高1.5m，行车道刚性纵梁和无粘结预应力柔性系杆分开。预制安装法施工.,1992 广东开平三埠桥 （L=60m） 单拱肋预应力混凝土系杆拱，单拱肋置于车行道中央分隔带上。,1994台湾台北碧潭桥（L=160m） 桥面由预制预应力混凝土单箱组成，并配以Y型悬臂拱圈，形成主跨为160m及2x100m无推力拱桥。引桥跨度分别为85m及57m，全桥以简洁明快的弧形曲线构成，与远山近水相协调。,1990 四川宜宾小南门桥 (=240m) 主桥系中承式钢筋混凝

7、土肋拱桥，矢度1/5，是当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥。该桥采用劲性钢骨架施工法，缆索吊装。,20,4）箱 拱桥,1979四川省宜宾市金沙江大桥 （L=150m） 中国采用缆索吊装施工、跨径最大的钢筋混凝土箱形拱。主拱圈箱高2.0m，箱宽7.60m，矢跨比1/7，全拱圈横向分5个箱室；纵向分5段预制，缆索吊装就位后再组合成整体箱。,1989四 川涪陵乌江大桥 （L=200m） 桥高84m，矢跨比1/4，主拱圈采用3室箱。 涪陵乌江大桥采用转体法施工，先在两岸上、下游组成3m宽的边箱，待转体合拢后吊装中箱顶、底板，最后组成3室箱。,1997四川万县长江大桥 L=420m) 劲性骨架钢筋混凝土箱

8、形拱桥,21,5）刚架拱桥,1989江苏无锡100米下甸桥 变截面，四分点附近截面高度最大，分别向拱脚、跨中减小。取消斜撑，拱上建筑采用23m预应力混凝土简支梁以过渡。,1993江西德兴130米太白桥 采用转体施工。,22,6）桁架拱桥,1976浙江宁海75米越溪桥 主孔为净跨75m的预应力混凝土桁架拱，拱矢度1/9；边孔为净孔40m的双曲拱，,1971浙江余杭50米里仁桥 钢筋混凝土斜拉杆式桁架拱桥。拱圈矢跨比为1/8。全桥布置4片拱片，在上弦杆覆盖微弯板混凝土桥面。预制拱片卧置叠浇，分段用浮吊起吊、翻身和吊装，在三分点处设临时支托，浇筑湿接头混凝土。,23,7）钢管混凝土拱桥,1998浙江

9、义乌80米宾王桥 单肋钢管混凝土系杆拱桥，中跨矢跨比1/5，矢高15.6m；边跨矢跨比1/4.5，矢高11.87m 。,1990四川旺苍115米东河桥 下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥，矢度1/6。两片拱肋间用直径800mm横撑连接以保持其稳定性。活载作用下拱脚的水平推力由系杆及桥墩共同承担。钢管拱肋实际上是一种复合材料，在破坏荷载作用下，钢管不仅起纵筋的作用，而且对混凝土起螺旋箍筋的作用，以提高构件的承载能力。在施工阶段，钢管起着劲性骨架的作用。,24,8）劲性骨架混凝土拱桥,1997四川万县长江大桥 L=420m) 劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥,25,1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥,197

10、7美国518.2m New River桥,9）钢拱桥,施工中的江汉五桥,第二章 拱桥的构造 2-1 主拱圈的构造 一、板拱 按主拱材料不同分为石板拱、混凝土板拱和钢筋混凝土板拱。,板拱,二、肋拱 肋拱桥的主要承重结构,立柱,拱肋,纵梁,横系梁,横梁,拱肋,1、材料： 混凝土或钢筋混凝土，也可选用石材 2、拱肋数目和间距 主要根据跨径、宽度、肋型、材料性能、荷载等级、施工条件、拱上结构等综合选定 桥宽20m以内采用双肋式，超过20m以上，采用分离的双幅式双肋拱 为保横向稳定，两外侧拱肋外缘间距l/20,3、拱肋截面 （1）矩形：构造简单、施工方便 （2）工字形： 适用：大、中跨径 （3）箱型：

11、适用：跨径大，桥面宽 （4）管形： 适用：钢管混凝土拱桥,三、双曲拱 主拱圈的组成： 拱肋、拱波、拱板、横向联系,拱肋,横向联系,拱板,拱波,1、主拱圈截面形式 据桥梁跨度、宽度、设计荷载大小、材料类型和施工工艺等情况可采用： （1） 多肋多波形式：多用 （2）单波的形式：用于小跨径,2、拱肋： （1）作用：主拱圈的重要组成部分，施工中作为砌筑拱波和浇筑拱板的支架 （2）要求：强度、刚度、稳定性 （3）截面形式：,（4）拱肋一般为预制的钢筋混凝土构件，分段数目和长度取决于桥梁跨径大小、运输设备和吊装能力。接头不宜布置于拱顶，布置于拱肋自重作用下弯矩最小的地方，一般在跨径的0.3倍附近。一般分为

12、三段。当跨径超过80m，可分为5段。,3、拱波 （1）作用：主拱圈的组成部分，拱板混凝土浇筑时的模板 （2）一般用混凝土预制成圆弧形（不低于C20）,4、拱板 （1）作用：“集零为整”，加强拱圈整体性 （2）现浇混凝土（不低于C20）,平板形,折线形,波形,5、横向联系构件 （1）作用：使拱肋变形在横桥向均匀，避免拱波顶纵裂，保证横向稳定 （2）形式：横系梁和横隔板 （3）布置：拱顶、腹孔墩下、接头处，间距35m。拱顶部分可适当加密。,四、箱形拱 箱形截面的组成方式： 可为单室箱或多室箱，每一闭合箱又由箱壁、顶板、底板及横隔板组成,多条U形肋,多条工字形肋,多条闭合箱肋,单箱多室截面,3、设计

13、与构造 （1）截面尺寸 高度h：取决于拱跨及混凝土强度（目前常用C30C40） 宽度：可采用窄拱圈形式 其他细部尺寸见P265,2-2 拱上建筑的构造 据构造方式不同，分为实腹式和空腹式 一、实腹式拱上建筑,组成：侧墙、拱腹填料、护拱、变形缝、防水层、泄水管及桥面等,3、拱腹填料的做法： （1）填充式：,（2）砌筑式 4、护拱：,二、空腹式拱上建筑 组成：除与实腹式相同者外，还有腹孔和腹孔墩,1、腹孔 型式：拱式腹孔和梁式腹孔,腹孔,腹孔墩,腹孔,腹孔墩,（1）拱式腹孔, 特点：构造简单，外形美观，重量较大，多用于圬工拱桥 布置：一般对称布置在靠近拱脚侧的一定区段内也有采用全空腹型式, 腹拱圈

14、：石砌、混凝土预制或现浇的圆弧形板拱 靠近桥墩（台）的第一腹拱做法： a、将腹拱的拱脚直接支承在墩（台）上；,b、跨越桥墩，使两侧腹拱圈相连,（2）梁式腹孔, 特点：减轻拱上重量，降低拱轴系数，改善拱圈在施工过程中的受力状况，获得更好的经济效果。 跨径及布置：要求同拱式,2、腹孔墩 分为横墙（力墙）式和排架（立柱）式,（1）横墙式：实体墙或横向挖孔 （2）排架式：盖梁和立柱组成的排架或刚架,2-3 拱桥其他细部构造,一、拱上填料、桥面及人行道 1、填料的作用 （1）扩大车辆荷载作用面积； （2）减小车辆荷载冲击作用,二、伸缩缝与变形缝 1、为什么要设伸缩缝和变形缝？ 2、伸缩缝和变形缝有什么区

15、别？ 3、各种拱桥结构中，分别如何设置？ （1）实腹式：两拱脚上方,（2）拱式拱上结构：,（3）梁式或板式拱上结构：,4、伸缩缝和变形缝隙如何处理？ 伸缩缝一般宽23cm，其缝内填料可采用锯末屑与沥青按照1:1比例制成预制板，在施工时嵌入，并在上缘设置能活动但不透水的覆盖层，另外也可采用其它材料填塞伸缩缝。 变形缝不留缝宽，其缝可干砌、用油毛毡或低强度等级的砂浆砌筑。,三、排水及防水层 1、桥面水的排除：同梁式桥 2、渗入拱腹内的水排除：防水层、泄水管 3、防水层和泄水管的埋设方式： （与上部结构形式有关） （1）实腹式拱桥 防水层：拱背护拱、侧墙铺设 泄水管：跨径的14,（2）空腹式拱桥 防

16、水层：沿腹拱上方与主拱圈跨中实腹段的 拱背布置 泄水管：跨径的14,四、拱桥中的铰 1、拱桥中哪些情况应设铰？ （1）按两铰拱或三铰拱设计的主拱圈 （2）按构造要求需采用铰的腹拱圈 （3）需设置铰的矮小腹孔墩 （4）施工中，设置临时铰 2、铰的分类：永久性铰，临时性铰,（4）铅垫铰：利用铅的塑性变形达到支撑面的自由转动。中小跨径的板拱或肋拱，也可作为临时铰。,（5）钢铰：多作为临时铰。,钢管混凝土拱桥简介,钢管混凝土拱肋,立柱（或吊杆）,横撑,行车道系,下部构造,一、钢管混凝土拱桥的特点 属于钢混凝土组合结构中的一种 1、结构分类 据钢管与混凝土的组合关系，分为“内填型”和“内填外包型”,（2

17、）内填外包型,（1）内填型,2、特点： （1）优点：强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳、耐冲击， 另外，还有以下独特优点： （1）钢管本身就是耐侧压的模板， （2）钢管兼有横向钢筋和纵向箍筋的作用 （3）钢管施工阶段起劲性骨架作用，运营阶段又是主要承重结构。 （4）在受压构件中采用，可节省材料。 （2）缺点： （1）钢管膨胀，混凝土脱空 （2） 泵送混凝土密实性难保 （3）钢管表面防锈 （4）钢管制造、安装要求高,二、钢管混凝土拱桥的基本构造 1、钢管混凝土拱肋,单圆管型（小跨径）,扁圆管型（中小跨度）,哑铃型（最常用）,三肢桁式 三角形格构,四肢桁式 四肢格构型,横哑铃桁式,混合式,跨径较大时：

18、,另外，还有25个钢管集合而成的肋拱（直接焊接）,2、横撑 设置：主要设于拱顶、拱脚和拱肋与桥面系交接处 材料：钢管桁架，空心的或内填混凝土 3、吊杆： 柔性吊杆： （中、下承式），平行钢丝，平行钢绞线、平行钢丝束、单根钢绞缆、封闭钢缆等； 刚性吊杆：钢筋混凝土、预应力混凝土，钢管（内不填混凝土）。,第三章 拱桥的设计 一、 拱桥的总体布置 （一）确定桥梁长度及分孔 （二）确定桥梁的设计标高和矢跨比 1、拱桥的标高主要有四个：,2、矢跨比（ ）,（1）影响主拱圈内力、构造形式、施工方法及美观,（2）分析： 矢跨比小：水平推力大，无铰拱附加内力大 过大：施工困难,（3）矢跨比取值范围 板拱、双曲

19、拱： 1/6 1/4，不超过1/8 箱形： 1/8 1/6 钢筋混凝土拱桥： 1/10 1/6，且1/12 3、大胆度 用来评价拱桥的规模、设计和施工的复杂和难易程度的指标,（三）不等跨连续拱桥的处理方法,1、连续拱桥不等跨分孔时，为什么要做特殊处理？ 相邻孔的恒载推力不等，从而桥墩和基础增加了恒载的不平衡推力 2、不等跨连续拱桥可采用哪些处理方法？ 1）采用不同的失跨比(大跨径陡拱，小跨径坦拱) 2）采用不同的孔脚标高 3）调整孔上建筑的恒载重量 4）采用不同类型的孔跨结构,二、拱轴线的选择和拱上建筑的布置 1、选择拱轴线的原则？ 尽可能降低由于荷载产生的弯矩数值。 2、什么是理想的拱轴线？

20、为什么不可能获得？ 最理想的拱轴线就是能与拱上各种荷载作用下的压 力线相吻合，这时的拱圈截面只承受轴向压力，无弯矩 作用。但是实际上由于受活载、温度变化和材料收缩等 因素的作用，一般不可能获得。,66,3、公路上，一般以什么作为设计拱轴线？为什么？ 公路上一般还是以恒载压力线作为设计拱轴线。因为 一般桥梁中，恒载占有很大的比重。 4、设计拱轴线应满足哪几方面的要求？（理解） 1）减小拱圈截面弯矩，及减小截面拉应力； 2）对于无支架施工，满足施工要求，且尽量少用临 时施工设施； 3）计算方法简单，易为生产人员掌握； 4）线形美观，便于施工,5、几种常用的拱轴线形： （1）圆弧线均布径向荷载的压力

21、线 特点：线形简单，施工方便；但与恒载压力线偏离较大，各截面受力不均 适用：常用于20m以下的小跨径拱桥或较大跨径的预制装配式钢筋混凝土拱桥,（2）悬链线恒载集度自拱顶向拱脚均匀增加时的压力线 特点： 用于实腹式拱桥，不计弹性压缩，与恒载压力线重合； 用于空腹式拱桥，与恒载压力线有偏离，但有利。 适用：大、中跨径普遍采用,（3）抛物线竖向均布荷载的压力线 二次抛物线 适用：钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱桥，矢跨比较小的空腹式钢筋混凝土拱桥 高次抛物线 适用：大跨径拱桥,70,通常： 小跨径拱桥可采用实腹式圆弧拱或实腹式悬链线拱 大、中跨径拱桥可采用空腹式悬链线拱 轻型拱桥或比失跨比较小的大跨

22、径钢筋混凝土拱桥可以采用抛物线拱。,71,主拱的构造与尺寸拟定,板拱的宽度 一般接近桥宽，或如图两种挑梁型式。采用悬臂式人行道，挑梁长度1.01.5m。 主拱圈宽度均大于跨径的1/20，,72,拱圈的厚度,拱圈截面的变化规律,73,肋拱,用两条或多条分离的平行窄拱圈即拱肋作为主拱圈的拱具有自重轻，恒载内力小，可以充分发挥钢筋混凝土等材料的性能，在大中型拱桥中得到广泛应用,肋拱截面形式,矩形，肋高h(1/401/60)L，宽b=(0.52.0)h,工字形截面肋高h(1/251/35)L，宽b=(0.40.5)h 腹板厚：3050cm,管形肋拱，肋高与跨径之比常在1/451/65,箱形肋拱（后面介绍）,74,箱形拱,主拱圈由多室箱构成的拱，箱形拱通常采用预制拼装施工。,75,76,拱桥的计算,拱桥的计算,拱轴线的选择与确定,成桥状态的内力分析和强度、刚度、稳定验算,施工阶段的内力分析和验算,恒载内力,温度、收缩徐变,拱脚变位,活载内力,内力调整,拱上建筑的计算,